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激光切割

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激光切割

日期:2017/12/21 15:22:33 人气:524

激光切割


       激光切割的含义
       利用高功率密度激光束照射被切割材料,使材料很快被加热至汽化温度,蒸发形成孔洞,随着光束对材料的移动,孔洞连续形成宽度很窄的(如0.1mm左右)切缝,完成对材料的切割。

       激光切割的应用范围
       大多数激光切割机都由数控程序进行控制操作或做成切割机器人。激光切割作为一种精密的加工方法,几乎可以切割所有的材料,包括薄金属板的二维切割或三维切割。
       在汽车制造领域,小汽车顶窗等空间曲线的切割技术都已经获得广泛应用。德国大众汽车公司用功率为500W的激光器切割形状复杂的车身薄板及各种曲面件。在航空航天领域,激光切割技术主要用于特种航空材料的切割,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、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有发动机火焰筒、钛合金薄壁机匣、飞机框架、钛合金蒙皮、机翼长桁、尾翼壁板、直升机主旋翼、航天飞机陶瓷隔热瓦等。
       激光切割成形技术在非金属材料领域也有着较为广泛的应用。不仅可以切割硬度高、脆性大的材料,如氮化硅、陶瓷、石英等;还能切割加工柔性材料,如布料、纸张、塑料板、橡胶等,如用激光进行服装剪裁,可节约衣料10%~12%,提高功效3倍以上。

       激光切割的应用领域
       ⑴、采用三维激光切割系统或配置工业机器人,切割空间曲线,开发各种三维切割软件,以加快从画图到切割零件的过程。
        ⑵、为了提高生产效率,研究开发各种专用切割系统,材料输送系统,直线电机驱动系统等,如今切割系统的切割速度已超过100m/min。
       ⑶、为扩展工程机械、造船工业等的应用,切割低碳钢厚度已超过30mm,并特别注意研究用氮气切割低碳钢的工艺技术,以提高切割厚板的切口质量。因此在中国扩大CO2激光切割的工业应用领域,解决新的应用中一些技术难题仍然是工程技术人员的重要课题。

       激光切割的切割工艺
       1)汽化切割

       在高功率密度激光束的加热下,材料表面温度升至沸点温度的速度是如此之快,足以避免热传导造成的熔化,于是部分材料汽化成蒸汽消失,部分材料作为喷出物从切缝底部被辅助气体流吹走。一些不能熔化的材料,如木材、碳素材料和某些塑料就是通过这种汽化切割方法切割成形的。
       汽化切割过程中,蒸汽随身带走熔化质点和冲刷碎屑,形成孔洞。汽化过程中,大约40%的材料化作蒸汽消失,而有60%的材料是以熔滴的形式被气流驱除的。

       2)熔化切割
       当入射的激光束功率密度超过某一值后,光束照射点处材料内部开始蒸发,形成孔洞。一旦这种小孔形成,它将作为黑体吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金属壁所包围,然后,与光束同轴的辅助气流把孔洞周围的熔融材料带走。随着工件移动,小孔按切割方向同步横移形成一条切缝。激光束继续沿着这条缝的前沿照射,熔化材料持续或脉动地从缝内被吹走。

       3)氧化熔化
       
熔化切割一般使用惰性气体,如果代之以氧气或其它活性气体,材料在激光束的照射下被点燃,与氧气发生激烈的化学反应而产生另一热源,称为氧化熔化切割。具体描述如下:
       ⑴、材料表面在激光束的照射下很快被加热到燃点温度,随之与氧气发生激烈的燃烧反应,放出大量热量。在此热量作用下,材料内部形成充满蒸汽的小孔,而小孔的周围为熔融的金属壁所包围。
        ⑵、燃烧物质转移成熔渣控制氧和金属的燃烧速度,同时氧气扩散通过熔渣到达点火前沿的快慢也对燃烧速度有很大的影响。氧气流速越高,燃烧化学反应和去除熔渣的速度也越快。当然,氧气流速不是越高越好,因为流速过快会导致切缝出口处反应产物即金属氧化物的快速冷却,这对切割质量也是不利的。
        ⑶、显然,氧化熔化切割过程存在着两个热源,即激光照射能和氧与金属化学反应产生的热能。据估计,切割钢时,氧化反应放出的热量要占到切割所需全部能量的60%左右。很明显,与惰性气体比较,使用氧作辅助气体可获得较高的切割速度。
       ⑷、在拥有两个热源的氧化熔化切割过程中,如果氧的燃烧速度高于激光束的移动速度,割缝显得宽而粗糙。如果激光束移动的速度比氧的燃烧速度快,则所得切缝狭而光滑。

       4)控制断裂
       
对于容易受热破坏的脆性材料,通过激光束加热进行高速、可控的切断,称为控制断裂切割。这种切割过程主要内容是:激光束加热脆性材料小块区域,引起该区域大的热梯度和严重的机械变形,导致材料形成裂缝。只要保持均衡的加热梯度,激光束可引导裂缝在任何需要的方向产生。
       要注意的是,这种控制断裂切割不适合切割锐角和角边切缝。切割特大封闭外形也不容易获得成功。控制断裂切割速度快,不需要太高的功率,否则会引起工件表面熔化,破坏切缝边缘。其主要控制参数是激光功率和光斑尺寸大小。

       5)切割程序
       
1、交点位置的检出。激光切割前需先根据材质调整光束焦点在工件上的位置,由于激光束,特别是CO2气体激光,一般肉眼看不到,可采用楔形丙烯块检测出焦点位置,然后调节割炬的高度,使焦点处于设定位置。
       2、穿孔操作要点。世纪切割加工时,有的零件从板材的内部开始切割,这就要先在板材上打孔。一种方法是采用连续激光,在薄板上穿孔,可以用正常的辅助气体压力,光束照射0.2~1s就能贯穿工件,然后即可转入切割。当工件厚度较大(如板厚为2~4mm)时,采用正常的气体压力穿孔,在工件表面上会形成尺寸比较大的溶坑。不但影响切割质量,而且熔融物质溅出可能损坏透镜或喷嘴。此时宜适当增大辅助气体的压力,同事略微增大喷嘴的孔径与工件的距离。这种方法的缺点是气体流量增加并使切割速度降低。
       3、防止工件锐角转折处的烧熔。用连续激光切割带有锐角零件时,如切割参数匹配或操作不当,在锐角的转折处很容易发生自烧熔,不能形成转角处的尖角。这不仅使该部位的质量变差,而且还会影响随后的切割。解决这一问题的方法是选择适宜的切割参数,而采用脉冲激光切割时不存在锐角转折处的烧熔问题。

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