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切割

這些你要知道的激光切割的基礎(chǔ)知識

激光制造網(wǎng) 來源:中國先進制造技術(shù)論壇2021-03-31 我要評論(0 )   

  早在上世紀 70 年代,激光就被首次用于切割。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,激光切割更被廣泛應(yīng)用于鈑金、塑料、玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體以及紡織品、木材和紙質(zhì)等材料加工?! ∥?..

  早在上世紀 70 年代,激光就被首次用于切割。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,激光切割更被廣泛應(yīng)用于鈑金、塑料、玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體以及紡織品、木材和紙質(zhì)等材料加工。

  未來幾年里,激光切割在精密加工和微加工領(lǐng)域的應(yīng)用同樣會獲得實質(zhì)的增長。

  激光切割

  當聚焦的激光束照到工件上時,照射區(qū)域會急劇升溫以使材料熔化或者氣化。一旦激光束穿透工件,切割過程就開始了:激光束沿著輪廓線移動,同時將材料熔化。通常會用一股噴射氣流將熔融物從切口吹走,在切割部分和板架間留下一條窄縫,窄縫幾乎與聚焦的激光束等寬。

  火焰切割

  火焰切割是切割低碳鋼時采用的一種標準工藝,采用氧氣作為切割氣體。氧氣加壓到高達6bar 后吹進切口。在那里,被加熱的金屬與氧氣發(fā)生反應(yīng):開始燃燒和氧化?;瘜W(xué)反應(yīng)釋放大量的能量(達到激光能量的五倍)輔助激光束進行切割。

圖1 激光束熔化工件,切割氣吹走切口中的熔融材料和熔渣

  熔化切割

  熔化切割是切割金屬時使用的另一種標準工藝。也可以用于切割其他可熔材料,例如陶瓷。

  采用氮氣或者氬氣作為切割氣,氣壓 2-20 bar 的氣體吹過切口。氬氣和氮氣是惰性氣體,這意味著它們不和切口中的熔化金屬發(fā)生反應(yīng),僅僅將它們向底部吹走。同時,惰性氣體可以保護切割邊緣不被空氣氧化。

  壓縮空氣切割

  壓縮空氣同樣可以用來切割薄板??諝饧訅旱?5-6 bar 就足以吹走切口中的熔融金屬。由于空氣中接近 80% 都是氮氣,因此壓縮空氣切割基本上屬于熔化切割。

  等離子體輔助切割

  如果參數(shù)選擇恰當,等離子體輔助熔化切割切口中會出現(xiàn)等離子體云。等離子體云由電離的金屬蒸氣和電離的切割氣組成。等離子體云吸收 CO2 激光的能量并轉(zhuǎn)化進工件,使更多的能量耦合到工件,材料會更快熔化,從而使切割速度更快。因此,這種切割過程也叫高速等離子體切割。

  等離子體云事實上相對于固體激光是透明的,因此等離子體輔助熔化切割只能使用 CO2激光。

  

圖2 等離子體輔助切割

  氣化切割

  氣化切割將材料蒸發(fā),盡可能減小了對周圍材料的熱效應(yīng)影響。采用連續(xù) CO2 激光加工蒸發(fā)低熱量、高吸收的材料就可以達到上述效果,例如薄的塑料薄膜以及木材、紙、泡沫等不熔化的材料。

  超短脈沖激光使這項技術(shù)可以應(yīng)用于其他材料。金屬中的自由電子吸收激光并劇烈升溫。激光脈沖不與熔融的粒子和等離子體反應(yīng),材料直接升華,沒有時間將能量以熱量的形式傳給周圍材料。皮秒脈沖燒蝕材料時沒有明顯的熱效應(yīng),沒有熔化和毛刺形成。

圖3 氣化切割:激光使材料蒸發(fā),燃燒。蒸氣的壓強使熔渣從切口排出

  參數(shù):調(diào)整加工過程

  許多參數(shù)影響激光切割過程,其中一些取決于激光器和機床的技術(shù)性能,而另一些是變化的。

  偏振度

  偏振度表明多少百分比的激光被轉(zhuǎn)換。典型的偏振度一般在 90% 左右。這對于高質(zhì)量的切割已經(jīng)足夠了。

  焦點直徑

  焦點直徑影響切口寬度,可以通過改變聚焦鏡的焦距改變焦點直徑。更小的焦點直徑意味著更窄的切口。

  焦點位置

  焦點位置決定了工件表面上的光束直徑和功率密度以及切口的形狀。

  

圖4 焦點位置:工件內(nèi)部,工件表面和工件上方

  激光功率

  激光功率應(yīng)和加工類型、材料種類和厚度相匹配。功率必須足夠高以至于工件上的功率密度超出加工閾值。

圖5 更高的激光功率可以切割更厚的材料

  工作模式

  連續(xù)模式主要用于切割毫米到厘米尺寸的金屬和塑料的標準輪廓。而為了熔化穿孔或者產(chǎn)生精密的輪廓,則采用低頻的脈沖激光。

  切割速度

  激光功率和切割速度必須互相匹配。太快或者太慢的切割速度都會導(dǎo)致粗糙度的增加和毛刺的形成。

  

圖6 切割速度隨著板材厚度增加而降低

  噴嘴直徑

  噴嘴的直徑?jīng)Q定了從噴嘴中噴出的氣體流量和氣流形狀。材料越厚,氣體噴流的直徑也要越大,相應(yīng)地,噴嘴口的直徑也要增大。

  氣體純度和氣壓

  氧氣和氮氣經(jīng)常用作切割氣體。氣體的純度和氣壓影響切割效果。

  采用氧氣火焰切割時,氣體純度需達到 99.95 %。鋼板越厚,采用的氣體氣壓越低。

  采用氮氣熔化切割時,氣體純度需要達到 99.995 %(理想情況是 99.999 %),熔化切割厚鋼板時需要更高的氣壓。

  技術(shù)參數(shù)表

  在激光切割早期,使用者必須通過試運轉(zhuǎn)自行決定加工參數(shù)的設(shè)置?,F(xiàn)在,成熟的加工參數(shù)被存儲在切割系統(tǒng)的控制裝置中。對于每一種材料類型和厚度,都有對應(yīng)的數(shù)據(jù)。技術(shù)參數(shù)表使得即使不熟悉這種技術(shù)的人也能順利操作激光切割設(shè)備。

  激光切割質(zhì)量評價因素

  有許多判定激光切割邊緣質(zhì)量的標準。像毛刺形式、凹陷、紋路等標準可以用肉眼判定;垂直度、粗糙度和切口寬度等則需要采用專用儀器來測量。材料沉積、腐蝕、熱影響區(qū)域和變形也是衡量激光切割質(zhì)量的重要因素。

圖7 好的切割,壞的切割。評價切割邊緣質(zhì)量的標準

  廣闊的前景

  激光切割的持續(xù)成功,是其他大多數(shù)加工難以企及的。這種趨勢今天仍在繼續(xù)。在未來,激光切割的應(yīng)用前景也將越來越廣闊。

  

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