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最新資訊

激光切割技術

激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料,并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動,從而形成一定形狀的切縫。激光切割技術廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中,可大大減少加工時間,降低加工成本,提高工件質量。

CO2激光切割技術的優點

切割質量好

  切口寬度窄(一般為0.1--0.5mm)、精度高(一般孔中心距誤差0.1--0.4mm,輪廓尺寸誤差0.1--0.5mm)、切口表面粗糙度好(一般Ra為12.5--25μm),切縫一般不需要再加工即可焊接。

切割速度快

  例如采用2KW激光功率,8mm厚的碳鋼切割速度為1.6m/min;2mm厚的不銹鋼切割速度為3.5m/min,熱影響區小,變形極小。  

CO2激光切割系統的購置

  單位:一類是大中型制造企業,這些企業生產的產品中有大量板材需要下料、切料,并且具有較強的經濟和技術實力;

另一類單位是加工站(國外稱Job Shop),加工站是專門對外承接激光加工業務的,自身無主導產品。它的存在一方面可滿足一些中小企業加工的需要;一方面在初期對推廣應用激光切割技術起到宣傳示范的作用。1999年美國全國共有激光加工站2700家,其中51%從事激光切割工作。八十年代中國激光加工站主要從事激光熱處理工作,九十年代后,激光切割及攻站逐步增加。在此基礎上隨著中國大中型企業體制改革的深入和經濟實力的增強,越來越多的企業將采用CO2激光切割技術。

 從目前國內應用情況分析,CO2激光切割廣泛應用于12mm厚的低碳鋼板;6mm厚的不銹鋼板及;20mm厚的非金屬材料。對于三維空間曲線的切割,在汽車、航空工業中也開始獲得了應用。

適合采用CO2激光切割的產品的分類

  目前適合采用CO2激光切割的產品大體上可歸納為三類:

第一類

  從技術經濟角度不宜制造模具的金屬鈑金件,特別是輪廓形狀復雜,批量不大,一般厚度;12mm的低碳鋼、;6mm厚的不銹鋼,以節省制造模具的成本與周期。已采用的典型產品有:自動電梯結構件、升降電梯面板、機床及糧食機械外罩、各種電氣柜、開關柜、紡織機械零件、工程機械結構件、大電機硅鋼片等。

第二類

  裝飾、廣告、服務行業用的不銹鋼(一般厚度3mm)或非金屬材料(一般厚度20mm)的圖案、標記、字體等。如藝術照相冊的圖案,公司、單位、賓館、商場的標記,車站、碼頭、公共場所的中英文字體。

第三類

  要求均勻切縫的特殊零件。最廣泛應用的典型零件是包裝印刷行業用的模切版,它要求在20mm厚的木模板上切出縫寬為0.7~0.8mm的槽,然后在槽中鑲嵌刀片。使用時裝在模切機上,切下各種已印刷好圖形的包裝盒。國內近年來應用的一個新領域是石油篩縫管。為了擋住泥沙進入抽油泵,在壁厚為6~9mm的合金鋼管上切出0.3mm寬的均勻切縫,起割穿孔處小孔直徑不能0.3mm,切割技術難度大,已有不少單位投入生產。

 

CO2激光切割的關鍵技術

  CO2激光切割的幾項關鍵技術是光、機、電一體化的綜合技術。

  激光束的參數、機器與數控系統的性能和精度都直接影響激光切割的效率和質量。特別是對于切割精度較高或厚度較大的零件,必須掌握和解決以下幾項關鍵技術:

焦點位置控制技術

  激光切割的優點之一是光束的能量密度高,一般10W/cm2。由于能量密度與4/πd2成正比,所以焦點光斑直徑盡可能的小,以便產生一窄的切縫;同時焦點光斑直徑還和透鏡的焦深成正比。聚焦透鏡焦深越小,焦點光斑直徑就越小。但切割有飛濺,透鏡離工件太近容易將透鏡損壞,因此一般大功率CO2激光切割工業應用中廣泛采用5〃~7.5〃〞(127~190mm)的焦距。實際焦點光斑直徑在0.1~0.4mm之間。對于高質量的切割,有效焦深還和透鏡直徑及被切材料有關。例如用5〃的透鏡切碳鋼,焦深為焦距的+2%范圍內,即5mm左右。因此控制焦點相對于被切材料表面的位置十分重要。顧慮到切割質量、切割速度等因素,原則上6mm的金屬材料,焦點在表面上; 6mm的碳鋼,焦點在表面之上; 6mm的不銹鋼,焦點在表面之下。具體尺寸由實驗確定。

  在工業生產中確定焦點位置的簡便方法有三種:(1)打印法:使切割頭從上往下運動,在塑料板上進行激光束打印,打印直徑最小處為焦點。(2)斜板法:用和垂直軸成一角度斜放的塑料板使其水平拉動,尋找激光束的最小處為焦點。(3)藍色火花法:去掉噴嘴,吹空氣,將脈沖激光打在不銹鋼板上,使切割頭從上往下運動,直至藍色火花最大處為焦點。對于飛行光路的切割機,由于光束發散角,切割近端和遠端時光程長短不同,聚焦前的光束尺寸有一定差別。入射光束的直徑越大,焦點光斑的直徑越小。為了減少因聚焦前光束尺寸變化帶來的焦點光斑尺寸的變化,國內外激光切割系統的制造商提供了一些專用的裝置供用戶選用:

 。1)平行光管。這是一種常用的方法,即在CO2激光器的輸出端加一平行光管進行擴束處理,擴束后的光束直徑變大,發散角變小,使在切割工作范圍內近端和遠端聚焦前光束尺寸接近一致。

 。2)在切割頭上增加一獨立的移動透鏡的下軸,它與控制噴嘴到材料表面距離(stand off)的Z軸是兩個相互獨立的部分。當機床工作臺移動或光軸移動時,光束從近端到遠端F軸也同時移動,使光束聚焦后光斑直徑在整個加工區域內保持一致。

 。3)控制聚焦鏡(一般為金屬反射聚焦系統)的水壓。若聚焦前光束尺寸變小而使焦點光斑直徑變大時,自動控制水壓改變聚焦曲率使焦點光斑直徑變小。

 。4)飛行光路切割機上增加x、y方向的補償光路系統。即當切割遠端光程增加時使補償光路縮短;反之當切割近端光程減小時,使補償光路增加,以保持光程長度一致。

切割穿孔技術

  任何一種熱切割技術,除少數情況可以從板邊緣開始外,一般都必須在板上穿一小孔。早先在激光沖壓復合機上是用沖頭先沖出一孔,然后再用激光從小孔處開始進行切割。對于沒有沖壓裝置的激光切割機有兩種穿孔的基該方法:

 。1)爆破穿孔:(Blast drilling),材料經連續激光的照射后在中心形成一凹坑,然后由與激光束同軸的氧流很快將熔融材料去除形成一孔。一般孔的大小與板厚有關,爆破穿孔平均直徑為板厚的一半,因此對較厚的板爆破穿孔孔徑較大,且不圓,不宜在要求較高的零件上使用(如石油篩縫管),只能用于廢料上。此外由于穿孔所用的氧氣壓力與切割時相同,飛濺較大。

 。2)脈沖穿孔:(Pulse drilling)采用高峰值功率的脈沖激光使少量材料熔化或汽化,常用空氣或氮氣作為輔助氣體,以減少因放熱氧化使孔擴展,氣體壓力較切割時的氧氣壓力小。每個脈沖激光只產生小的微粒噴射,逐步深入,因此厚板穿孔時間需要幾秒鐘。一旦穿孔完成,立即將輔助氣體換成氧氣進行切割。這樣穿孔直徑較小,其穿孔質量優于爆破穿孔。為此所使用的激光器不但應具有較高的輸出功率;更重要的時光束的時間和空間特性,因此一般橫流CO2激光器不能適應激光切割的要求。此外脈沖穿孔還須要有較可靠的氣路控制系統,以實現氣體種類、氣體壓力的切換及穿孔時間的控制。在采用脈沖穿孔的情況下,為了獲得高質量的切口,從工件靜止時的脈沖穿孔到工件等速連續切割的過渡技術應以重視。從理論上講通?筛淖兗铀俣蔚那懈顥l件:如焦距、噴嘴位置、氣體壓力等,但實際上由于時間太短改變以上條件的可能性不大。在工業生產中主要采用改變激光平均功率的辦法比較現實,具體方法有以下三種:(1)改變脈沖寬度;(2)改變脈沖頻率;(3)同時改變脈沖寬度和頻率。實際結果表明,第(3)種效果最好。

噴嘴設計及氣流控制技術

  激光切割鋼材時,氧氣和聚焦的激光束是通過噴嘴射到被切材料處,從而形成一個氣流束。對氣流的基本要求是進入切口的氣流量要大,速度要高,以便足夠的氧化使切口材料充分進行放熱反應;同時又有足夠的動量將熔融材料噴射吹出。因此除光束的質量及其控制直接影響切割質量外,噴嘴的設計及氣流的控制(如噴嘴壓力、工件在氣流中的位置等)也是十分重要的因素。目前激光切割用的噴嘴采用簡單的結構,即一錐形孔帶端部小圓孔。通常用實驗和誤差方法進行設計。由于噴嘴一般用

  紫銅制造,體積較小,是易損零件,需經常更換,因此不進行流體力學計算與分析。在使用時從噴嘴側面通入一定壓力Pn(表壓為Pg)的氣體,稱噴嘴壓力,從噴嘴出口噴出,經一定距離到達工件表面,其壓力稱切割壓力Pc,最后氣體膨脹到大氣壓力Pa。研究工作表明隨著Pn的增加,氣流流速增加,Pc也不斷增加。

  可用下列公式計算:V=8.2d2(Pg+1)

  V-氣體流速 L/min

  d-噴嘴直徑 mm

  Pg-噴嘴壓力(表壓)bar

  對于不同的氣體有不同的壓力閾值,當噴嘴壓力超過此值時,氣流為正常斜激波,氣流速從亞音速向超音速過渡。此閾值與Pn、Pa比值及氣體分子的自由度(n)兩因素有關:如氧氣、空氣的n=5,因此其閾值Pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar。當噴嘴壓力更高Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2時(Pn;4bar),氣流正常斜激波封變為正激波,切割壓力Pc下降,氣流速度減低,并在工件表面形成渦流,削弱了氣流去除熔融材料的作用,影響了切割速度。因此采用錐孔帶端部小圓孔的噴嘴,其氧氣的噴嘴壓力常在3bar以下。

  為進一步提高激光切割速度,可根據空氣動力學原理,在提高噴嘴壓力的前提下不產生正激波,設計制造一種縮放型噴嘴,即拉伐爾(Laval)噴嘴。德國漢諾威大學激光中心使用500WCO2激光器,透鏡焦距2.5〃,采用小孔噴嘴和拉伐爾噴嘴分別作了試驗。試驗結果:分別表示NO2、NO4、NO5噴嘴在不同的氧氣壓力下,切口表面粗糙度Rz與切割速度Vc的函數關系。NO2小孔噴嘴在Pn為400Kpa(或4bar)時切割速度只能達到2.75m/min(碳鋼板厚為2mm)。NO4、NO5二種拉伐爾噴嘴在Pn為500Kpa到600Kpa時切割速度可達到3.5m/min和5.5m/min。應指出的是切割壓力Pc還是工件與噴嘴距離的函數。由于斜激波在氣流的邊界多次反射,使切割壓力呈周期性的變化。

  第一高切割壓力區緊鄰噴嘴出口,工件表面至噴嘴出口的距離約為0.5~1.5mm,切割壓力Pc大而穩定,是目前工業生產中切割手扳常用的工藝參數。第二高切割壓力區約為噴嘴出口的3~3.5mm,切割壓力Pc也較大,同樣可以取得好的效果,并有利于保護透鏡,提高其使用壽命。曲線上的其他高切割壓力區由于距噴嘴出口太遠,與聚焦光束難以匹配而無法采用。

發展前景

  綜上所述,CO2激光器切割技術正在中國工業生產中得到越來越多的應用,國外正研究開發更高切割速度和更厚鋼板的切割技術與裝置。為了滿足工業生產對質量和生產效率越來越高的要求,必須重視解決各種關鍵技術及執行質量標準,以使這一新技術在中國獲得更廣泛的應用。

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