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激光切割

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激光切割

日期:2017/12/21 15:23:11 人氣:1723

激光切割



       激光切割的含義
       利用高功率密度激光束照射被切割材料,使材料很快被加熱至汽化溫度,蒸發形成孔洞,隨著光束對材料的移動,孔洞連續形成寬度很窄的(如0.1mm左右)切縫,完成對材料的切割。

       激光切割的應用範圍
       大多數激光切割機都由數控程序進行控製操作或做成切割機器人。激光切割作為一種精密的加工方法,幾乎可以切割所有的材料,包括薄金屬板的二維切割或三維切割。
       在汽車製造領域,小汽車頂窗等空間曲線的切割技術都已經獲得廣泛應用。德國大眾汽車公司用功率為500W的激光器切割形狀複雜的車身薄板及各種曲麵件。在航空航天領域,激光切割技術主要用於特種航空材料的切割,如鈦合金、鋁合金、鎳合金、鉻合金、不鏽鋼、氧化鈹、複合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有發動機火焰筒、鈦合金薄壁機匣、飛機框架、鈦合金蒙皮、機翼長桁、尾翼壁板、直升機主旋翼、航天飛機陶瓷隔熱瓦等。
       激光切割成形技術在非金屬材料領域也有著較為廣泛的應用。不僅可以切割硬度高、脆性大的材料,如氮化矽、陶瓷、石英等;還能切割加工柔性材料,如布料、紙張、塑料板、橡膠等,如用激光進行服裝剪裁,可節約衣料10%~12%,提高功效3倍以上。

       激光切割的應用領域
       ⑴、采用三維激光切割係統或配置工業機器人,切割空間曲線,開發各種三維切割軟件,以加快從畫圖到切割零件的過程。
        ⑵、為了提高生產效率,研究開發各種專用切割係統,材料輸送係統,直線電機驅動係統等,如今切割係統的切割速度已超過100m/min。
       ⑶、為擴展工程機械、造船工業等的應用,切割低碳鋼厚度已超過30mm,並特別注意研究用氮氣切割低碳鋼的工藝技術,以提高切割厚板的切口質量。因此在中國擴大CO2激光切割的工業應用領域,解決新的應用中一些技術難題仍然是工程技術人員的重要課題。

       激光切割的切割工藝
       1)汽化切割

       在高功率密度激光束的加熱下,材料表麵溫度升至沸點溫度的速度是如此之快,足以避免熱傳導造成的熔化,於是部分材料汽化成蒸汽消失,部分材料作為噴出物從切縫底部被輔助氣體流吹走。一些不能熔化的材料,如木材、碳素材料和某些塑料就是通過這種汽化切割方法切割成形的。
       汽化切割過程中,蒸汽隨身帶走熔化質點和衝刷碎屑,形成孔洞。汽化過程中,大約40%的材料化作蒸汽消失,而有60%的材料是以熔滴的形式被氣流驅除的。

       2)熔化切割
       當入射的激光束功率密度超過某一值後,光束照射點處材料內部開始蒸發,形成孔洞。一旦這種小孔形成,它將作為黑體吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金屬壁所包圍,然後,與光束同軸的輔助氣流把孔洞周圍的熔融材料帶走。隨著工件移動,小孔按切割方向同步橫移形成一條切縫。激光束繼續沿著這條縫的前沿照射,熔化材料持續或脈動地從縫內被吹走。

       3)氧化熔化
       
熔化切割一般使用惰性氣體,如果代之以氧氣或其它活性氣體,材料在激光束的照射下被點燃,與氧氣發生激烈的化學反應而產生另一熱源,稱為氧化熔化切割。具體描述如下:
       ⑴、材料表麵在激光束的照射下很快被加熱到燃點溫度,隨之與氧氣發生激烈的燃燒反應,放出大量熱量。在此熱量作用下,材料內部形成充滿蒸汽的小孔,而小孔的周圍為熔融的金屬壁所包圍。
        ⑵、燃燒物質轉移成熔渣控製氧和金屬的燃燒速度,同時氧氣擴散通過熔渣到達點火前沿的快慢也對燃燒速度有很大的影響。氧氣流速越高,燃燒化學反應和去除熔渣的速度也越快。當然,氧氣流速不是越高越好,因為流速過快會導致切縫出口處反應產物即金屬氧化物的快速冷卻,這對切割質量也是不利的。
        ⑶、顯然,氧化熔化切割過程存在著兩個熱源,即激光照射能和氧與金屬化學反應產生的熱能。據估計,切割鋼時,氧化反應放出的熱量要占到切割所需全部能量的60%左右。很明顯,與惰性氣體比較,使用氧作輔助氣體可獲得較高的切割速度。
       ⑷、在擁有兩個熱源的氧化熔化切割過程中,如果氧的燃燒速度高於激光束的移動速度,割縫顯得寬而粗糙。如果激光束移動的速度比氧的燃燒速度快,則所得切縫狹而光滑。

       4)控製斷裂
       
對於容易受熱破壞的脆性材料,通過激光束加熱進行高速、可控的切斷,稱為控製斷裂切割。這種切割過程主要內容是:激光束加熱脆性材料小塊區域,引起該區域大的熱梯度和嚴重的機械變形,導致材料形成裂縫。隻要保持均衡的加熱梯度,激光束可引導裂縫在任何需要的方向產生。
       要注意的是,這種控製斷裂切割不適合切割銳角和角邊切縫。切割特大封閉外形也不容易獲得成功。控製斷裂切割速度快,不需要太高的功率,否則會引起工件表麵熔化,破壞切縫邊緣。其主要控製參數是激光功率和光斑尺寸大小。

       5)切割程序
       
1、交點位置的檢出。激光切割前需先根據材質調整光束焦點在工件上的位置,由於激光束,特別是CO2氣體激光,一般肉眼看不到,可采用楔形丙烯塊檢測出焦點位置,然後調節割炬的高度,使焦點處於設定位置。
       2、穿孔操作要點。世紀切割加工時,有的零件從板材的內部開始切割,這就要先在板材上打孔。一種方法是采用連續激光,在薄板上穿孔,可以用正常的輔助氣體壓力,光束照射0.2~1s就能貫穿工件,然後即可轉入切割。當工件厚度較大(如板厚為2~4mm)時,采用正常的氣體壓力穿孔,在工件表麵上會形成尺寸比較大的溶坑。不但影響切割質量,而且熔融物質濺出可能損壞透鏡或噴嘴。此時宜適當增大輔助氣體的壓力,同事略微增大噴嘴的孔徑與工件的距離。這種方法的缺點是氣體流量增加並使切割速度降低。
       3、防止工件銳角轉折處的燒熔。用連續激光切割帶有銳角零件時,如切割參數匹配或操作不當,在銳角的轉折處很容易發生自燒熔,不能形成轉角處的尖角。這不僅使該部位的質量變差,而且還會影響隨後的切割。解決這一問題的方法是選擇適宜的切割參數,而采用脈衝激光切割時不存在銳角轉折處的燒熔問題。

       激光切割的含義
       利用高功率密度激光束照射被切割材料,使材料很快被加熱至汽化溫度,蒸發形成孔洞,隨著光束對材料的移動,孔洞連續形成寬度很窄的(如0.1mm左右)切縫,完成對材料的切割。

       激光切割的應用範圍
       大多數激光切割機都由數控程序進行控製操作或做成切割機器人。激光切割作為一種精密的加工方法,幾乎可以切割所有的材料,包括薄金屬板的二維切割或三維切割。
       在汽車製造領域,小汽車頂窗等空間曲線的切割技術都已經獲得廣泛應用。德國大眾汽車公司用功率為500W的激光器切割形狀複雜的車身薄板及各種曲麵件。在航空航天領域,激光切割技術主要用於特種航空材料的切割,如鈦合金、鋁合金、鎳合金、鉻合金、不鏽鋼、氧化鈹、複合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有發動機火焰筒、鈦合金薄壁機匣、飛機框架、鈦合金蒙皮、機翼長桁、尾翼壁板、直升機主旋翼、航天飛機陶瓷隔熱瓦等。
       激光切割成形技術在非金屬材料領域也有著較為廣泛的應用。不僅可以切割硬度高、脆性大的材料,如氮化矽、陶瓷、石英等;還能切割加工柔性材料,如布料、紙張、塑料板、橡膠等,如用激光進行服裝剪裁,可節約衣料10%~12%,提高功效3倍以上。

       激光切割的應用領域
       ⑴、采用三維激光切割係統或配置工業機器人,切割空間曲線,開發各種三維切割軟件,以加快從畫圖到切割零件的過程。
        ⑵、為了提高生產效率,研究開發各種專用切割係統,材料輸送係統,直線電機驅動係統等,如今切割係統的切割速度已超過100m/min。
       ⑶、為擴展工程機械、造船工業等的應用,切割低碳鋼厚度已超過30mm,並特別注意研究用氮氣切割低碳鋼的工藝技術,以提高切割厚板的切口質量。因此在中國擴大CO2激光切割的工業應用領域,解決新的應用中一些技術難題仍然是工程技術人員的重要課題。

       激光切割的切割工藝
       1)汽化切割

       在高功率密度激光束的加熱下,材料表麵溫度升至沸點溫度的速度是如此之快,足以避免熱傳導造成的熔化,於是部分材料汽化成蒸汽消失,部分材料作為噴出物從切縫底部被輔助氣體流吹走。一些不能熔化的材料,如木材、碳素材料和某些塑料就是通過這種汽化切割方法切割成形的。
       汽化切割過程中,蒸汽隨身帶走熔化質點和衝刷碎屑,形成孔洞。汽化過程中,大約40%的材料化作蒸汽消失,而有60%的材料是以熔滴的形式被氣流驅除的。

       2)熔化切割
       當入射的激光束功率密度超過某一值後,光束照射點處材料內部開始蒸發,形成孔洞。一旦這種小孔形成,它將作為黑體吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金屬壁所包圍,然後,與光束同軸的輔助氣流把孔洞周圍的熔融材料帶走。隨著工件移動,小孔按切割方向同步橫移形成一條切縫。激光束繼續沿著這條縫的前沿照射,熔化材料持續或脈動地從縫內被吹走。

       3)氧化熔化
       
熔化切割一般使用惰性氣體,如果代之以氧氣或其它活性氣體,材料在激光束的照射下被點燃,與氧氣發生激烈的化學反應而產生另一熱源,稱為氧化熔化切割。具體描述如下:
       ⑴、材料表麵在激光束的照射下很快被加熱到燃點溫度,隨之與氧氣發生激烈的燃燒反應,放出大量熱量。在此熱量作用下,材料內部形成充滿蒸汽的小孔,而小孔的周圍為熔融的金屬壁所包圍。
        ⑵、燃燒物質轉移成熔渣控製氧和金屬的燃燒速度,同時氧氣擴散通過熔渣到達點火前沿的快慢也對燃燒速度有很大的影響。氧氣流速越高,燃燒化學反應和去除熔渣的速度也越快。當然,氧氣流速不是越高越好,因為流速過快會導致切縫出口處反應產物即金屬氧化物的快速冷卻,這對切割質量也是不利的。
        ⑶、顯然,氧化熔化切割過程存在著兩個熱源,即激光照射能和氧與金屬化學反應產生的熱能。據估計,切割鋼時,氧化反應放出的熱量要占到切割所需全部能量的60%左右。很明顯,與惰性氣體比較,使用氧作輔助氣體可獲得較高的切割速度。
       ⑷、在擁有兩個熱源的氧化熔化切割過程中,如果氧的燃燒速度高於激光束的移動速度,割縫顯得寬而粗糙。如果激光束移動的速度比氧的燃燒速度快,則所得切縫狹而光滑。

       4)控製斷裂
       
對於容易受熱破壞的脆性材料,通過激光束加熱進行高速、可控的切斷,稱為控製斷裂切割。這種切割過程主要內容是:激光束加熱脆性材料小塊區域,引起該區域大的熱梯度和嚴重的機械變形,導致材料形成裂縫。隻要保持均衡的加熱梯度,激光束可引導裂縫在任何需要的方向產生。
       要注意的是,這種控製斷裂切割不適合切割銳角和角邊切縫。切割特大封閉外形也不容易獲得成功。控製斷裂切割速度快,不需要太高的功率,否則會引起工件表麵熔化,破壞切縫邊緣。其主要控製參數是激光功率和光斑尺寸大小。

       5)切割程序
       
1、交點位置的檢出。激光切割前需先根據材質調整光束焦點在工件上的位置,由於激光束,特別是CO2氣體激光,一般肉眼看不到,可采用楔形丙烯塊檢測出焦點位置,然後調節割炬的高度,使焦點處於設定位置。
       2、穿孔操作要點。世紀切割加工時,有的零件從板材的內部開始切割,這就要先在板材上打孔。一種方法是采用連續激光,在薄板上穿孔,可以用正常的輔助氣體壓力,光束照射0.2~1s就能貫穿工件,然後即可轉入切割。當工件厚度較大(如板厚為2~4mm)時,采用正常的氣體壓力穿孔,在工件表麵上會形成尺寸比較大的溶坑。不但影響切割質量,而且熔融物質濺出可能損壞透鏡或噴嘴。此時宜適當增大輔助氣體的壓力,同事略微增大噴嘴的孔徑與工件的距離。這種方法的缺點是氣體流量增加並使切割速度降低。
       3、防止工件銳角轉折處的燒熔。用連續激光切割帶有銳角零件時,如切割參數匹配或操作不當,在銳角的轉折處很容易發生自燒熔,不能形成轉角處的尖角。這不僅使該部位的質量變差,而且還會影響隨後的切割。解決這一問題的方法是選擇適宜的切割參數,而采用脈衝激光切割時不存在銳角轉折處的燒熔問題。
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