激光切割加工是利用高功率密度的激光束照射被切割的材料,使材料迅速加热到汽化温度,蒸发形成孔。当梁向材料移动时,孔连续形成非常窄的狭缝(约0.1mm),完成对材料的切割。由于没有刀具加工成本,激光切割设备也可以生产以前无法加工的各种尺寸的小批量零件。激光切割设备通常采用计算机数控技术(CNC)装置。有了这个装置,就可以使用电话线从计算机辅助设计(CAD)工作站接收切割的数据。
原则
激光切割是利用高功率密度的聚焦激光束照射工件,以便辐照材料迅速融化,蒸发,切除或达到燃点,与此同时,在高速气流的帮助与光束同轴吹走熔化的材料,以达到工件的切割。
激光切割是热切割的一种方法。
分类
激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧切割以及激光切割和控制断裂四大类。
1)激光汽化切割
利用高能量密度的激光束对工件进行加热,使工件温度迅速上升,在很短的时间内达到材料的沸点。物质开始汽化,形成蒸汽。蒸汽以极快的速度喷出,在材料上造成了切口。材料的汽化热一般很大,所以激光汽化切割需要较大的功率和功率密度。激光汽化切割主要用于切割极薄的金属材料和非金属材料(如纸、布、木、塑料、橡胶等)。
2)激光熔切
在激光熔化和切割过程中,金属材料经激光加热熔化,然后非氧化气体(Ar、He、N等)通过与光束同轴的喷嘴喷射,在气体的强大压力下将液态金属排出,形成切口。激光熔化和切割不需要金属完全汽化,只需要汽化切割能量的1/10。激光熔合切割主要用于一些非氧化材料或活性金属的切割,如不锈钢、钛、铝及其合金等。
3)激光氧切割
激光氧切割的原理与氧乙炔切割相似。它采用激光作为预热热源,氧气等活性气体作为切割气体。一方面,喷射出的气体与切削金属相互作用,产生氧化反应,释放出大量的氧化热。另一方面,熔融氧化物和熔融物质被吹出反应区,在金属上形成切口。由于切割过程中氧化反应产生大量热量,激光氧切割所需能量仅为熔炼切割所需能量的1/2,切割速度远远大于激光汽化切割和熔炼切割。
激光氧切割主要用于碳钢、钛钢、热处理钢等易氧化的金属材料。
4)激光划片控制骨折
激光扫描是利用高能量密度激光对脆性材料的表面进行扫描,使材料加热后蒸发成槽状。然后施加一定的压力,脆性材料就会沿着狭缝开裂。激光划线一般采用q开关激光器和CO2激光器。控制断裂是利用激光开槽产生的陡峭的温度分布在脆性材料中产生局部热应力,使材料沿开槽断裂。
特点
激光切割与其他热切割方法相比较,总的特点是切割速度快、质量高。具体概括为如下几个方面。
⑴ 切割质量好
由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快,因此激光切割能够获得较好的切割质量。
① 激光切割切口细窄,切缝两边平行并且与表面垂直,切割零件的尺寸精度可达±0.05mm。
② 切割表面光洁美观,表面粗糙度只有几十微米,甚至激光切割可以作为一道工序,无需机械加工,零部件可直接使用。
③ 材料经过激光切割后,热影响区宽度很小,切缝附近材料的性能也几乎不受影响,并且工件变形小,切割精度高,切缝的几何形状好,切缝横截面形状呈现较为规则的长方形。激光切割、氧乙炔切割和等离子切割方法的比较见表1,切割材料为6.2mm厚的低碳钢板。
⑵ 切割效率高由于激光的传输特性,激光切割机上一般配有多台数控工作台,整个切割过程可以全部实现数控。操作时,只需改变数控程序,就可适用不同形状零件的切割,既可进行二维切割,又可实现三维切割。
⑶ 切割速度快
用功率为1200W的激光切割2mm厚的低碳钢板,切割速度可达600cm/min;切割5mm厚的聚丙烯树脂板,切割速度可达1200cm/min。材料在激光切割时不需要装夹固定,既可节省工装夹具,又节省了上、下料的辅助时间。
⑷ 非接触式切割
激光切割时割炬与工件无接触,不存在工具的磨损。加工不同形状的零件,不需要更换“刀具”,只需改变激光器的输出参数。激光切割过程噪声低,振动小,无污染。
⑸ 切割材料的种类多
与氧乙炔切割和等离子切割比较,激光切割材料的种类多,包括金属、非金属、金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维等。但是对于不同的材料,由于自身的热物理性能及对激光的吸收率不同,表现出不同的激光切割适应性。采用CO2激光器,各种材料的激光切割性能见表2。
⑹ 缺点激光切割由于受激光器功率和设备体积的限制,激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材,而且随着工件厚度的增加,切割速度明显下降。
激光切割设备费用高,一次性投资大。
主要特点
窄缝工件变形小,激光束会聚到非常小的光点,从而在焦点处产生很高的功率密度。在这一点上,从光束输入的热量远远超过了材料反射,传导或扩散的部分,并且材料被迅速加热到蒸发点,在蒸发点蒸发形成孔。随着梁和材料的相对线性运动,孔连续形成宽度非常窄的狭缝。切削刃受热的影响很小,并且工件没有变形。在切割过程中还会添加适合切割材料的辅助蒸汽体。切割钢时,氧气被用作辅助蒸汽,与熔融金属产生放热的化学反应氧化材料,还有助于吹走切割缝中的炉渣。使用压缩空气,棉,纸和其他易燃材料切割聚丙烯塑料,使用惰性气体切割。进入喷嘴的辅助蒸气还会冷却聚焦透镜,从而防止烟灰进入透镜座而污染透镜并导致透镜过热。大多数有机和无机材料均可通过激光切割。在工业制造系统非常重的金属加工业中,许多金属材料,无论何种硬度,都可以切割而不会变形。当然,对于高反射率的材料,例如金,银,铜和铝合金,它们也是良好的热传导导体,因此激光切割非常困难,甚至不可能。激光切割无毛刺,起皱,精度高,优于等离子切割。对于许多机电制造业来说,由于现代激光切割系统的计算机程序控制可以方便地切割不同形状和尺寸的工件,因此通常比冲压,成型工艺更可取;尽管其加工速度仍比冲模慢,但它不消耗模具,不需要维修模具,而且节省了更换模具的时间,从而节省了加工成本,降低了生产成本,因此总体考虑更具成本效益。
非接触式处理
激光束聚焦后形成非常小的能量点,它应用于切割具有许多特性。
(1)将激光能量转换成惊人的热能,以保持在很小的区域内,可以提供细的直边缝;
(2)切边附近小的受热面积;
(3)局部变形小。激光束不对工件施加任何力,这是一种非接触式切削工具,这意味着工件没有机械变形。没有工具磨损,就没有工具转换问题。切割材料不需要考虑其硬度,也就是说,激光切割能力不受切割材料硬度的影响,任何材料的硬度都可以切割。
(4)激光束控制,并且具有很高的适应性和灵活性,因此该产品与自动设备的组合非常方便,易于实现自动切割工艺;
(5)由于对切割工件没有限制,激光束具有无限的复制切割能力;
(6)与计算机结合,可以整板排列,节省材料。
适应性和灵活性
与其他常规加工方法相比,激光切割具有更大的适应性。与其他也是热切割工艺的热切割方法相比,其他方法无法作用于像激光束这样的很小的区域,从而导致切口宽,受热面积大以及工件变形明显。激光可以切割非金属,但其他热切割方法则不能。
一般来说,激光切割质量可以通过以下6个标准进行测量。
1。表面粗糙度Rz
2.切口吊渣尺寸
3.垂直度和斜率U
4.切边圆角尺寸R
5.条纹后拖曳量n
6.平面F的图片
适用范围
大多数激光切割机由数控程序控制或制成切割机器人。作为精密加工方法,激光切割可用于切割几乎所有材料,包括薄金属板的二维或三维切割。在汽车制造领域,诸如车顶窗的空间曲线切割技术已被广泛使用。大众汽车使用功率为500W的激光切割复杂的车身板和各种弯曲的零件。在航空航天领域,激光切割技术主要用于切割特殊航空材料,例如钛合金,铝合金,镍合金,铬合金,不锈钢,氧化铍,复合材料,塑料,陶瓷和石英等。激光切割加工的航空航天零件包括发动机火焰缸,钛合金薄壁机壳,飞机机身
切割过程
1.汽化切割
在高功率密度激光束的加热下,材料的表面温度迅速上升到沸点温度,从而避免了由热传导引起的熔化。然后,一些材料汽化成蒸汽并消失,并且一些材料随着辅助气流的喷射而从狭缝的底部吹走。
通过这种汽化切割方法切割并形成一些非熔融材料,例如木材,碳和一些塑料。
在汽化切割过程中,蒸汽带走熔融颗粒并冲刷碎屑,形成孔。
在汽化过程中,约40%的材料被汽化,而60%的材料则以液滴形式被气流排出。
2.熔切
当入射激光束的功率密度超过一定值时,光束照射点内的材料开始蒸发,形成孔。孔形成后,它会变成黑体,吸收所有入射光束的能量。孔被熔融金属壁包围,与光束对齐的辅助气流将熔融材料运送到孔周围。随着工件的移动,孔与切削方向同步地水平移动以形成狭缝。激光束继续沿着狭缝的前部照射,熔化的材料连续或脉冲地从狭缝吹走。
3.氧化融化
通常,惰性气体用于熔融切割。如果改用氧气或其他活性气体,则会在激光束的照射下点燃材料,并且与氧气的强烈化学反应会产生另一种热源,称为氧化熔融切割。具体描述如下:
材料表面在激光束照射下被迅速加热到点火点的温度,随后与氧气剧烈燃烧反应,释放出大量的热量。在这种热量的作用下,在材料内部形成了充满蒸汽的孔,这些孔被熔融的金属壁包围。氧气和金属的燃烧速率受燃烧物质向炉渣中的转移的控制,而氧气通过炉渣扩散到点火前沿的速度也对燃烧速率有很大影响。氧气流速越高,燃烧化学和除渣速度越快。当然,氧气流速越高越好,因为流速太快会导致在狭缝出口处产生反应产物,即金属氧化物的快速冷却,这也不利于切割质量。显然,在氧化熔化和切割过程中有两个热源,即激光辐照能量和氧与金属的化学反应产生的热量。据估计,切割钢中氧化反应释放的热量约占切割所需总能量的60%。显然,与惰性气体相比,通过使用氧气作为辅助气体可以获得更高的切割速度。如果氧气的燃烧速率高于激光束的移动速度,则缝隙将显得宽而粗糙。如果激光束移动的速度快于氧气燃烧的速度,则缝隙将变得狭窄且光滑。
4.控制容易
对于易受热损坏的脆性材料,通过激光束加热进行的高速可控切割称为受控断裂切割。该切割过程的主要内容是激光束加热了脆性材料的小面积,这会导致该区域中较大的热梯度和严重的机械变形,从而导致材料中形成裂纹。在均匀的加热梯度下,激光束可以沿所需的任何方向引导折断。应当指出的是,这种受控的断裂切割不适用于切割锐角和棱角边缘的狭缝。
切割大的封闭形状并不容易获得成功。
控制断裂的切割速度快,不需要太高的功率,否则会导致工件表面熔化,破坏切割缝的边缘。主要控制参数是激光功率和光斑大小。
切割过程注意
1.检查相交位置。
在激光切割之前,应根据材料调整光束聚焦在工件上的位置。由于肉眼无法看到激光束,尤其是CO2气体激光束,因此可以使用楔形丙烯块检测焦点位置,然后可以调整割炬的高度以使焦点对准设定位置。
2.牢记冲床操作要点。
在20世纪,从板材内部切割了一些零件,这需要先在板材上钻孔。一种方法是使用连续激光在薄板上打孔。正常的辅助气压可用于照亮工件0.2?1秒,然后就可以进行切割。当工件厚度是相对的