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激光切割金屬材料的工藝探索

發布時間:2017/9/5     信息來源:http://www.mediaworksasia.com   作者:激光切割機    0

激光技術是20世紀的偉大發明之一,自1960年第一台激光器問世以來,固體激光器(ND:YAG等)、氣體激光器、半導體激光器、準分子激光器陸續誕生。激光器不同於普通的光源,它具有良好的單色性和相幹性,很好的方向性、極高的能量密度,這些特點使得激光廣泛地應用於各類機械加工領域,例如,激光切割、焊接、打孔、標刻等。以激光為“刀具”的激光切割機比傳統的各類切割機床有明顯的優勢。

激光功率高,切口質量好:激光束是高能量密度的熱源,其功率密度高達1013W/CM,比電弧高幾個數量級。激光通過光學聚焦後光斑直徑可達0.1~0.5MM,功率密度更高;使被加工金屬瞬間汽化而被切割。切割低碳鋼,切口寬度可小於0.1~0.2MM;切割麵表麵粗糙度隻有十幾微米;切割零件的精度可達±0.05MM。因此,激光切割的零件因切口質量好,經常無需機械加工,直接使用。

輸入熱量小,材料變形小、材料性能受影響小:由於激光束的功率密度極高,切割時熱影響區寬度很小,對薄板一般隻有0.01~0.1MM,切口附近材料變形很小,性能幾乎不受影響。

加工柔性好,切割效率高:激光可通過光線或光學鏡片傳導,切割過程可全部實現數控,能夠切割任意形狀的零件,既可作二維、又可作三維切割。

切割作用力小,裝卡簡單、不換“刀具”:激光束在材料表麵遊走即實現切割功能,工件裝卡簡單、甚至不需要裝卡。激光切割不同於機械切割,沒有工具的磨損,隻需改變激光器的參數。
激光切割的優勢,是非常誘人的。

1.激光切割機的原理

激光切割機的組成:激光切割通常由計算機係統、激光控製電氣係統、激光發生器、聚焦單元、工作台控製單元、三維工作台組成;還需要外接輔助氣體。

計算機係統是控製的中樞,它負責產生切割圖形,設置激光功率、激光脈衝寬度、激光脈衝頻率、切割速度等切割工藝參數;計算機係統依據切割的圖形和切割速度等工藝的需要,向激光控製電氣單元和工作台控製單元發出控製指令。

對於帶切割的圖形,有切割的“筆畫”時,激光控製電氣單元按接受的指令控製激光發生器,使發生器輸出相應激光功率、脈衝寬度、重複頻率的激光束,激光束經激光聚焦單元聚焦後作用在工件上;無切割的“筆畫”時,激光控製電氣單元按接受的指令“關閉”激光發生器輸出。與此同時,工作台數控單元按接受的指令,根據圖形的形狀控製三維工作台X向、Y向的運行軌跡,根據設置的切割速度、並與激光器輸出動態配合,控製三維工作台沿X向、Y向移動速度,如此能割出計算機所繪製的任何圖形。

計算機控製三維空作台沿Z向移動,可以使工件表麵處於聚焦單元的焦平麵或者焦距的合適位置。

2.激光切割金屬的機理:

根據在切割金屬過程的作用,激光切割分為汽化切割、熔化切割、氣體反應切割三種切割方式:

(1)激光汽化切割:在高能量密度激光束作用下,材料瞬間達到熔點、汽化,蒸氣噴出速度很大,在材料蒸氣噴出同時形成切口。

(2)激光熔化切割:激光加熱使材料熔化,通過與光束同軸的噴嘴噴出高壓氣體,將液態金屬排出形成切口。

(3)激光氧氣切割:激光隻是作為預熱熱源,應用高壓氧氣作為切割氣體,氧氣與金屬反應並放出大量反應熱,高壓氧氣將熔融氧化物和熔化物從反應區吹出,形成切口。

(4)激光汽化氣吹綜合切割:在激光汽化切割的基礎上,用輔助氣體(惰性氣體或氮氣)協助熔化物吹出。

3.切割方式對斷口的影響

通過激光控製電氣單元設置不同的激光電源輸出功率,進而設置不同激光輸出功率,切割。對比激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割三種方式切割的切割效果:

切割不鏽鋼板材時,提高激光電源功率,加大激光束的能力密度,采用激光汽化切割效果最好;而熔化切割因能量密度低,高壓氬氣吹走熔化物速度較慢,切割效果次之;氧氣切割因氧化過程、及氧化物和熔化物吹走速度影響,切割效果最差。

4.氣體類型對汽化切割的影響

加大激光能量密度,采取汽化切割方式切割2mm厚不鏽鋼板,切割時分別施加相同壓力的氬氣、氮氣、氧氣、壓縮空氣,氣流通過噴嘴吹響切割處,對比切割效果:

對於激光氣化切割,通適量的輔助性保護氣體,既有助吹走汽化金屬,又保護金屬與氧氣反應,因而通氬氣、氮氣切口效果好,且切割速度提高;而因壓縮空氣、氧氣與金屬反應,故切割效果變差。氮氣比氬氣更經濟,激光汽化切割選用氮氣作輔助氣體為好。

5.輔助氣體壓力(流量)對汽化切割效果的影響

采用相同的能量密度以激光氣化方式切割,用氮氣作輔助氣體。當氮氣流量較小時,因其輔助氣吹的效果有限,對切割的效果改善很少;當氮氣流量適量時,對切割端口效果、切割速度有改善;氮氣流量較大時,因較快地帶走過多熱量,影響金屬汽化效果,切割效果變差。

6.結語

采用激光切割金屬較傳統的切割工藝上有明顯的優勢,有廣闊的應用前景,其工藝值得進一步的探索。切割金屬時,激光汽化切割的效果比激光熔化切割、激光氧氣切割效果好;采用激光汽化切割方式切割金屬時,用適量的氮氣作輔助氣體切割效果更好。

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