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激光切割加工技術(shù)詳解


激光切割技術(shù)是利用高能量密度的激光束加熱工件,使溫度迅速上升,在非常短的時(shí)間內達到材料的沸點(diǎn),材料開(kāi)始汽化,形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大,在蒸氣噴出的同時(shí),在材料上形成切口。

簡(jiǎn)介

利用激光切割設備可切割4mm以下的不銹鋼,在激光束中加氧氣可切割20mm厚的碳鋼,但加氧切割后會(huì )在切割面形成薄薄的氧化膜。切割的最大厚度可增加到20mm,但切割部件的尺寸誤差較大。

激光切割設備的價(jià)格相當貴,約150萬(wàn)元以上。但是,由于降低了后續工藝處理的成本,所以,在大生產(chǎn)中采用這種設備還是可行的。由于沒(méi)有刀具加工成本,所以激光切割設備也適用生產(chǎn)小批量的原先不能加工的各種尺寸的部件。激光切割設備通常采用計算機化數字控制技術(shù)(CNC)裝置,采用該裝置后,就可以利用電話(huà)線(xiàn)從計算機輔助設計(CAD)工作站來(lái)接受切割數據。

原理

激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件,使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點(diǎn),同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì),從而實(shí)現將工件割開(kāi)。激光切割屬于熱切割方法之一。

激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制斷裂四類(lèi)。
激光汽化切割

利用高能量密度的激光束加熱工件,使溫度迅速上升,在非常短的時(shí)間內達到材料的沸點(diǎn),材料開(kāi)始汽化,形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大,在蒸氣噴出的同時(shí),在材料上形成切口。材料的汽化熱一般很大,所以激光汽化切割時(shí)需要很大的功率和功率密度。

激光汽化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料(如紙、布、木材、塑料和橡皮等)的切割。

激光熔化切割

激光熔化切割時(shí),用激光加熱使金屬材料熔化,然后通過(guò)與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化性氣體(Ar、He、N等),依靠氣體的強大壓力使液態(tài)金屬排出,形成切口。激光熔化切割不需要使金屬完全汽化,所需能量只有汽化切割的1/10。

激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割,如不銹鋼、鈦、鋁及其合金等。

激光氧氣切割

激光氧氣切割原理類(lèi)似于氧乙炔切割。它是用激光作為預熱熱源,用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用,發(fā)生氧化反應,放出大量的氧化熱;另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應區吹出,在金屬中形成切口。由于切割過(guò)程中的氧化反應產(chǎn)生了大量的熱,所以激光氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的1/2,而切割速度遠遠大于激光汽化切割和熔化切割。

激光氧氣切割主要用于碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。

激光劃片與控制斷裂

激光劃片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面進(jìn)行掃描,使材料受熱蒸發(fā)出一條小槽,然后施加一定的壓力,脆性材料就會(huì )沿小槽處裂開(kāi)。激光劃片用的激光器一般為Q開(kāi)關(guān)激光器和CO2激光器。

控制斷裂是利用激光刻槽時(shí)所產(chǎn)生的陡峭的溫度分布,在脆性材料中產(chǎn)生局部熱應力,使材料沿小槽斷開(kāi)。

特點(diǎn)

激光切割與其他熱切割方法相比較,總的特點(diǎn)是切割速度快、質(zhì)量高。具體概括為如下幾個(gè)方面。

⑴ 切割質(zhì)量好
由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快,因此激光切割能夠獲得較好的切割質(zhì)量。
① 激光切割切口細窄,切縫兩邊平行并且與表面垂直,切割零件的尺寸精度可達±0.05mm。
② 切割表面光潔美觀(guān),表面粗糙度只有幾十微米,甚至激光切割可以作為最后一道工序,無(wú)需機械加工,零部件可直接使用。
③ 材料經(jīng)過(guò)激光切割后,熱影響區寬度很小,切縫附近材料的性能也幾乎不受影響,并且工件變形小,切割精度高,切縫的幾何形狀好,切縫橫截面形狀呈現較為規則的長(cháng)方形。激光切割、氧乙炔切割和等離子切割方法的比較見(jiàn)表1,切割材料為6.2mm厚的低碳鋼板。
⑵ 切割效率高
由于激光的傳輸特性,激光切割機上一般配有多臺數控工作臺,整個(gè)切割過(guò)程可以全部實(shí)現數控。操作時(shí),只需改變數控程序,就可適用不同形狀零件的切割,既可進(jìn)行二維切割,又可實(shí)現三維切割。
⑶ 切割速度快
用功率為1200W的激光切割2mm厚的低碳鋼板,切割速度可達600cm/min;切割5mm厚的聚丙烯樹(shù)脂板,切割速度可達1200cm/min。材料在激光切割時(shí)不需要裝夾固定,既可節省工裝夾具,又節省了上、下料的輔助時(shí)間。
⑷ 非接觸式切割
激光切割時(shí)割炬與工件無(wú)接觸,不存在工具的磨損。加工不同形狀的零件,不需要更換“刀具”,只需改變激光器的輸出參數。激光切割過(guò)程噪聲低,振動(dòng)小,無(wú)污染。
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