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      激光切割的分類(lèi)及應(yīng)用范圍

      作者:Admin 發(fā)布日期: 2019-11-14 10:15:14
      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)。
      1)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(nèi)達(dá)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。
      2)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(qiáng)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。
      3)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(yù)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(yīng),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(yīng)區(qū)吹出,在金屬中形成切口。由于切割過(guò)程中的氧化反應(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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。
      4)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(yīng)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(xì)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(dá)±0.05mm。
      ② 切割表面光潔美觀,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(jī)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(qū)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(xiàn)較為規(guī)則的長(zhǎng)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(jī)上一般配有多臺(tái)數(shù)控工作臺(tái),整個(gè)切割過(guò)程可以全部實(shí)現(xiàn)數(shù)控。操作時(shí),只需改變數(shù)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(xiàn)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(dá)600cm/min;切割5mm厚的聚丙烯樹(shù)脂板,切割速度可達(dá)1200cm/min。材料在激光切割時(shí)不需要裝夾固定,既可節(jié)省工裝夾具,又節(jié)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(shù)。激光切割過(guò)程噪聲低,振動(dòng)小,無(wú)污染。
      ⑸ 切割材料的種類(lèi)多
      與氧乙炔切割和等離子切割比較,激光切割材料的種類(lèi)多,包括金屬、非金屬、金屬基和非金屬基復(fù)合材料、皮革、木材及纖維等。但是對(duì)于不同的材料,由于自身的熱物理性能及對(duì)激光的吸收率不同,表現(xiàn)出不同的激光切割適應(yīng)性。采用CO2激光器,各種材料的激光切割性能見(jiàn)表2。
      ⑹ 缺點(diǎn)激光切割由于受激光器功率和設(shè)備體積的限制,激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材,而且隨著工件厚度的增加,切割速度明顯下降。
      激光切割設(shè)備費(fèi)用高,一次性投資大。
      主要特性
      切縫窄工件變形小
      激光束聚焦成很小的光點(diǎn),使焦點(diǎn)處達(dá)到很高的功率密度。這時(shí)光束輸入的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)被材料反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)散的部分,材料很快加熱至汽化程度,蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對(duì)線性移動(dòng),使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫。切邊受熱影響很小,基本沒(méi)有工件變形。
      切割過(guò)程中還添加與被切材料相適合的輔助汽體。鋼切割時(shí)利用氧作為輔助汽體與熔融金屬產(chǎn)生放熱化學(xué)反應(yīng)氧化材料,同時(shí)幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣。切割聚丙烯一類(lèi)塑料使用壓縮空氣,棉、紙等易燃材料切割使用惰性汽體。進(jìn)入噴嘴的輔助汽體還能冷卻聚焦透鏡,防止煙塵進(jìn)入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導(dǎo)致鏡片過(guò)熱。
      大多數(shù)有機(jī)與無(wú)機(jī)材料都可以用激光切割。在工業(yè)制造系統(tǒng)占有份量很重的金屬加工業(yè),許多金屬材料,不管它是什么樣的硬度,都可以進(jìn)行無(wú)變形切割。當(dāng)然,對(duì)高反射率材料,如金、銀、銅和鋁合金,它們也是好的傳熱導(dǎo)體,因此激光切割很困難,甚至不能切割。激光切割無(wú)毛刺、皺折、精度高,優(yōu)于等離子切割。對(duì)許多機(jī)電制造行業(yè)來(lái)說(shuō),由于微機(jī)程序控制的現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件,它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用;盡管它加工速度還慢于模沖,但它沒(méi)有模具消耗,無(wú)須修理模具,還節(jié)約更換模具時(shí)間,從而節(jié)省了加工費(fèi)用,降低了生產(chǎn)成本,所以從總體上考慮是更合算的。
      無(wú)接觸加工
      激光束聚焦后形成具有極強(qiáng)能量的很小作用點(diǎn),把它應(yīng)用于切割有許多特點(diǎn)。首先,激光光能轉(zhuǎn)換成驚人的熱能保持在極小的區(qū)域內(nèi),可提供⑴狹的直邊割縫;⑵最小的鄰近切邊的熱影響區(qū);⑶極小的局部變形。其次,激光束對(duì)工件不施加任何力,它是無(wú)接觸切割工具,這就意味著⑴工件無(wú)機(jī)械變形;⑵無(wú)刀具磨損,也談不上刀具的轉(zhuǎn)換問(wèn)題;⑶切割材料無(wú)須考慮它的硬度,也即激光切割能力不受被切材料的硬度影響,任何硬度的材料都可以切割。再次,激光束可控性強(qiáng),并有高的適應(yīng)性和柔性,因而⑴與自動(dòng)化設(shè)備相結(jié)合很方便,容易實(shí)現(xiàn)切割過(guò)程自動(dòng)化;⑵由于不存在對(duì)切割工件的限制,激光束具有無(wú)限的仿形切割能力;⑶與計(jì)算機(jī)結(jié)合,可整張板排料,節(jié)省材料。
      適應(yīng)性和靈活性
      與其它常規(guī)加工方法相比,激光切割具有更大的適應(yīng)性。首先,與其他熱切割方法相比,同樣作為熱切割過(guò)程,別的方法不能象激光束那樣作用于一個(gè)極小的區(qū)域,結(jié)果導(dǎo)致切口寬、熱影響區(qū)大和明顯的工件變形。激光能切割非金屬,而其它熱切割方法則不能。
      一般來(lái)說(shuō),激光切割質(zhì)量可以由以下6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量。
      ⒈切割表面粗糙度Rz
      ⒉切口掛渣尺寸
      ⒊切邊垂直度和斜度u
      ⒋切割邊緣圓角尺寸r
      ⒌條紋后拖量n
      ⒍平面度F
      應(yīng)用范圍
      大多數(shù)激光切割機(jī)都由數(shù)控程序進(jìn)行控制操作或做成切割機(jī)器人。激光切割作為一種精密的加工方法,幾乎可以切割所有的材料,包括薄金屬板的二維切割或三維切割。
      在汽車(chē)制造領(lǐng)域,小汽車(chē)頂窗等空間曲線的切割技術(shù)都已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。德國(guó)大眾汽車(chē)公司用功率為500W的激光器切割形狀復(fù)雜的車(chē)身薄板及各種曲面件。在航空航天領(lǐng)域,激光切割技術(shù)主要用于特種航空材料的切割,如鈦合金、鋁合金、鎳合金、鉻合金、不銹鋼、氧化鈹、復(fù)合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒、鈦合金薄壁機(jī)匣、飛機(jī)框架、鈦合金蒙皮、機(jī)翼長(zhǎng)桁、尾翼壁板、直升機(jī)主旋翼、航天飛機(jī)陶瓷隔熱瓦等。
      激光切割成形技術(shù)在非金屬材料領(lǐng)域也有著較為廣泛的應(yīng)用。不僅可以切割硬度高、脆性大的材料,如氮化硅、陶瓷、石英等;還能切割加工柔性材料,如布料、紙張、塑料板、橡膠等,如用激光進(jìn)行服裝剪裁,可節(jié)約衣料10%~12%,提高功效3倍以上。
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