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激光切割在金屬配资之家加工中的運用

2018-9-25 10:55:27點擊:

配资之家車間傳統加工方式包括剪闆、沖裁和折彎等工藝流程。其中沖裁工藝需要大量的模具,具有少切削及無切削工藝特征。在一個産品加工時一般會配備幾十套模具,甚至有的産品可能需要上百套模具。從经濟角度上看,配備大量的模具,産品的成本相應增加,造成资金浪费。为适應現代配资之家加工,降低生産成本和提高加工工藝,激光加工技術便應運而生。

随着激光切割機的應用,配资之家加工工藝得到了飛速發展,并給配资之家制作加工帶来了革命性理念。激光切割工藝以及激光切割機設備正在被廣大闆材加工企业所熟悉接受,并以其加工效率高、加工精度高、切割斷面質量好、可進行三維切割加工等諸多優勢逐步取代傳統配资之家切割設備(以數控設備为主,包括剪床、沖床、火焰切割、等離子切割、高壓水切割等傳統的闆材加工設備)。激光加工技術在配资之家加工工藝中具有很重要的位置,提高了配资之家工藝勞动生産率,推动了配资之家工藝的發展。激光切割機柔性化程度高,可以大大地縮減加工周期,切割速度快,出産效率高,提高加工精度,加快産品的開發速度,这些優點被衆多制造企业關注。

激光切割機是将激光器發射出的激光,经光路系統,聚焦成高功率密度的激光束。激光束照射到工件表面,使工件达到熔點或沸點,同時與光束同軸的高壓氣體将熔化或氣化金屬吹走。随着光束與工件相對位置的移动,最終使材料形成切縫,從而达到切割目的。激光切割加工是用不可見的光束代替了傳統的機械刀,具有精度高、切割快速、不受切割圖案限制、自动排版節省材料、切口平滑、加工成本低等特點,将逐漸改進或取代傳統金屬切割設備。激光刀頭的機械部分與工件無接觸,在工作中不會對工件表面造成劃傷;激光切割速度快,切口光滑平整,一般無需後續加工;切割熱影響區小,闆材變形小,切縫窄(0.1~0.3mm);切口沒有機械應力,無剪切毛刺;重複性好,不損傷材料表面,數控編程,可加工任意平面圖,對幅面很大的整闆切割,無需開發模具,经濟省時。一般来講,建議12mm以内的碳鋼闆、10mm以内的不鏽鋼闆推薦使用激光切割機。激光切割機無切削力,加工無變形,無刀具磨損,材料适應性好。無論是簡單還是複雜零件,都可以用激光一次精密快速成形切割。可實現切割自动排樣、套料,提高了材料利用率,经濟效益好。

激光切割機分類

根據激光發生器的不同,目前市面上大致可分为三種激光切割機:CO2激光切割機、YAG(固體)激光切割機、光纖激光切割機。

CO2激光切割機

CO2激光切割機:可以穩定切割20mm以内的碳鋼、10mm以内的不鏽鋼、8mm以下的鋁合金。CO2激光器波長为10.6μm,比較容易被非金屬吸收,可以高質量地切割木材、亞克力、PP、有機玻璃等非金屬材料,但是CO2激光的光電轉化率隻有10%左右。CO2激光切割機在光束出口處裝有噴吹氧氣、壓縮空氣或惰性氣體N2的噴嘴,用来提高切割速度和保證切口的平整光潔。为了提高電源的穩定性和壽命,CO2氣體激光要解決大功率激光器的放電穩定性。根據國際安全标準,激光危害等級分4級,CO2激光屬于危害最小的一級。

主要優點:功率大,一般功率都在2000~4000W之間,能切割25mm以内的全尺寸不鏽鋼、碳鋼等常規材料、以及4mm以内鋁闆和60mm以内的亞克力闆、木質材料闆、PVC闆,切割薄闆時速度很快。另外由于CO2激光器輸出的是連續激光,在切割時是三種激光切割機中切割斷面最光滑的。

主要市場定位:6~25mm的中厚闆切割加工,主要針對大中型企业以及部分純對外激光切割加工企业。由于其激光器維護耗損大,主機耗電量大等無法克服因素,近年来受到光纖激光切割機的巨大沖擊,市場處于明顯萎縮狀态。

YAG(固體)激光切割機

YAG固體激光切割機具有价格低、穩定性好的特點,但能量效率一般低于3%。目前産品的輸出功率大多在800W以下,由于輸出能量小,主要用于打孔和點焊及薄闆切割。它的綠色激光束可在脈沖或連續波的情況下應用,具有波長短、聚光性好特點,适于精密加工特别是在脈沖下進行孔加工的情況,也可用于切削、焊接和光刻等。YAG固體激光切割機激光器的波長不易被非金屬吸收,故不能切割非金屬材料,且YAG固體激光切割機需要提高電源穩定性和壽命。需要研制大容量、長壽命光泵激勵光源,采用半導體光泵可使能量效率大幅度增長。

主要優點:能切割其他激光切割機無法切割的鋁闆、銅闆以及大多數有色金屬材料。機器采購价格便宜、使用成本低、維護簡單,大部分關鍵技術已被國内企业所掌握。配件价格及維護成本低,且機器操作維護簡單,對工人人員素質要求不高。

主要市場定位:8mm以下切割。主要針對自用型中小企业和加工要求不是特别高的大多數配资之家制造、家電制造、廚具制造、裝飾裝潢、廣告等行业用戶,未来可能逐步取代線切割、數控沖床、水切割、小功率等離子等傳統加工設備。

光纖激光切割機

光纖激光切割機可以通過光纖傳輸,柔性化程度空前提高,故障點少、維護方便、速度快,在切割4mm以内薄闆時具有很大優勢,但是受固體激光波長的影響,其在切割厚闆時質量較差。光纖激光器切割機波長为1.06μm,不易被非金屬吸收,故不能切割非金屬材料。光纖激光的光電轉化率高达25%以上,在電费消耗、配套冷卻系統參數等方面光纖激光優勢相當明顯。根據國際安全标準,光纖激光由于波長短,對眼睛傷害很大,屬于危害最大的一級。出于安全考慮,光纖激光加工需要在全封閉的環境進行。光纖激光切割機作为一種新興激光技術,普及程度遠遠不如CO2激光切割機。

主要優點:光電轉換率高、電力消耗少、能切割12mm以内的不鏽鋼闆、碳鋼闆,是这三種機器中切割薄闆速度最快的激光切割機。割縫細小、光斑質量好,可用于精細切割。

主要市場定位:12mm以下切割,尤其是薄闆的高精密加工。主要針對加工精度及效率要求極高的廠家。估計伴随着5000W及以上激光器的出現,光纖激光切割機最終會取代CO2大功率激光切割機的大部分市場。

激光切割方式

圖1所示为激光切割的三種方式。

圖1 激光切割方式

激光熔化切割

⑴激光熔化切割中,工件被局部熔化後借助氣流把熔化的材料噴射出去。因为材料的轉移隻發生在其液态情況下,所以該過程被稱作激光熔化切割。

⑵激光光束配上高純惰性切割氣體促使熔化的材料離開割縫,氣體本身不參與切割。

⑶激光熔化切割可以得到比氣化切割更高的切割速度。氣化所需的能量通常高于把材料熔化所需的能量。在激光熔化切割中,激光光束隻被部分吸收。

⑷最大切割速度随着激光功率的增加而增加,随着闆材厚度增加和材料熔化溫度增加而成反比例地減小。在激光功率一定的情況下,限制因素是割縫處的氣壓和材料的熱傳導率。

⑸激光熔化切割對于鐵制材料和钛金屬可以得到無氧化切口。對于鋼材料来說,會産生熔化但不到氣化的激光功率密度,激光功率密度在104W/cm2~105W/cm2之間。

激光火焰切割

激光火焰切割與激光熔化切割不同之處在于其使用氧氣作为切割氣體。借助于氧氣和加熱後金屬之間的相互作用,發生化学反應使材料進一步加熱。對于相同厚度的結構鋼,采用該方法可得到的切割速率比熔化切割要高。

另一方面,該方法和熔化切割相比切口質量更差。實際上生成了更寬的割縫、明顯的粗糙度、增加熱影響區區域和更差的邊緣質量。

⑴激光火焰切割在加工精密模型和尖角時是有缺陷的(有燒掉尖角的危險)。可以使用脈沖模式激光限制熱影響區。

⑵所用的激光功率決定切割速度。在激光功率一定的情況下,限制因素是氧氣的供應和材料的熱傳導率。

激光氣化切割

激光氣化切割過程中,材料在割縫處發生氣化,此情況下需要非常高的激光功率。为了防止材料蒸氣冷凝到割縫壁上,材料厚度一定不要大大超過激光光束直徑,該加工因而隻适合用在沒有熔化材料排出的情況下。該加工實際上隻用于鐵基合金很小的使用領域。

該加工不能用于木材和某些陶瓷,这些材料通常要达到更厚的切口。

⑴激光氣化切割中,最優光束聚焦取決于材料厚度和光束質量。

⑵激光功率和氣化熱對最優焦點位置有一定的影響。

⑶闆材厚度一定的情況下,最大切割速度反比于材料氣化溫度。

⑷所需激光功率密度大于108W/cm2,取決于材料、切割深度和光束焦點位置。

⑸闆材厚度一定的情況下。假設有足夠的激光功率,最大切割速度受到氣體射流速度限制。

激光加工過程

加工過程指激光光束、加工氣體和工件之間的相互作用。圖2所示为加工參數。

圖2 加工參數

切割過程

在進行切割之前,激光必須将工件加熱到材料熔化和氣化所需的溫度。

切割平面由一個幾乎垂直的平面組成,該平面吸收激光輻射加熱并熔化。在激光火焰切割中,進入割縫的氧氣流進一步加熱熔化區,达到接近沸點溫度,産生的氣化把材料移走。同時借助加熱氣體,液化材料從工件下部排出。

激光熔化切割中,液化材料随氣體排出,該氣體保護割縫以防氧化。連續的熔化區沿着切割方向逐漸滑移,因而得到一條連續割縫。激光切割過程許多重要活动發生在該區域,對这些活动的分析可以得到激光切割的重要信息,可以計算切割速度并解釋牽引線特性的形成。

材料特性

在工件上進行切割的結果可能出現整潔的切口,或者相反,存在邊緣粗糙或過燒情況。

影響切割質量最重要的因素有。

⑴合金成分。

合金成分在一定程度上影響着材料的強度、比重、可焊接性、抗氧化能力和酸性。鐵合金材料中的一些重要元素有碳、鉻、鎳、鎂和鋅等。

碳含量越高,材料越難切(臨界值認为是含碳0.8%)。以下型号碳鋼用激光切割效果很好:St 37-2,StW 22,DIN 1.203。

⑵材料基本微觀結構。

一般来說,組成材料的顆粒越細,切割邊緣質量越好。

⑶表面質量和粗糙度。

如果表面有生鏽區域或氧化層,切割的輪廓将不規則并出現許多破損點;要切割波紋闆,就選擇最大厚度切割參數。

⑷表面處理。

最常用的表面處理有鍍鋅、塗漆、陽極電鍍或覆蓋分層塑料膠片。用鋅處理過的闆材易在邊緣出現挂渣。對于塗漆的闆材,切割質量依賴于所塗産品的成分組成。

有分層材料塗層的闆材非常适合激光切割。为了使電容式探測無故障工作,讓分層塗層得到最優粘合(避免産生浮泡),分層邊必須總是在切割工件的上部。

⑸光束反射。

光束在工件表面如何反射取決于基本材料、表面粗糙度和處理方式。一些鋁合金、銅、黃銅和不鏽鋼闆材具有高反射率特點。切割这些材料時,要特别注意調節好焦點位置。

⑹熱傳導率。

焊接時,低熱傳導率的材料和高熱傳導率的材料相比,需要更小的功率。比如對于鉻鎳合金鋼,所需的功率要小于結構鋼,加工産生的熱吸收也更少。又比如銅、鋁和黃銅这些材料焊接時會散失掉一大部分吸收激光産生的熱,因为熱從光束目标點處傳導開了,所以熱影響區的材料更加難熔化。

⑺熱影響區。

激光火焰切割和激光熔化切割會導致切割材料邊緣區域發生材料變異。關于熱影響區域的範圍與基本材料厚度之間的關系,表1列出了一些參考數值。

表1 材料厚度與熱影響區域的關系

從表中可以了解:⑴加工低碳鋼或無氧鋼時,熱影響區淬火現象減少了;⑵高碳鋼(比如Ck60)會出現邊緣區域變硬現象;⑶硬軋鋁合金的熱影響區會比其餘部分稍微軟一些。