激光切割工藝.doc

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激光切割工藝 發(fā)表于 2009-10-26 20:50 | 只看該作者發(fā)表的帖子 1# 本文章共4286字，分3頁，當(dāng)前第1頁，快速翻頁：123 激 光 切 割 工 藝 激光切割的工藝參數(shù) （1）光束橫模 ① 基模 又稱為高斯模，是切割最理想的模式，主要出現(xiàn)在功率小于1kW的激光器。 ② 低階模 與基模比較接近，主要出現(xiàn)在1～2kW的中功率激光器。 ③ 多模 是高階模的混合，出現(xiàn)在功率大于3kW的激光器。 切割速度與橫模及板厚的關(guān)系見圖1。由圖可以看出，300W的單模激光和500W的多模有同等的切割能力。但是，多模的聚焦性差，切割能力低，單模激光的切割能力優(yōu)于多模。常用材料的單模激光切割工藝參數(shù)見表1，多模激光切割工藝參數(shù)見表2。 表1 常用材料的單模激光切割工藝參數(shù) 材料 厚度/mm 輔助氣體 切割速度/cmmin-1 切縫寬度/mm 功率/W 低碳鋼 3.0 O2 60 0.2 250 不銹鋼 1.0 O2 150 0.1 鈦合金 40.0 O2 50 3.5 鈦合金 10.0 O2 280 1.5 有機透明玻璃 10.0 N2 80 0.7 氧化鋁 1.0 O2 300 0.1 聚酯地毯 10.0 N2 260 0.5 棉織品（多層） 15.0 N2 90 0.5 紙板 0.5 N2 300 0.4 波紋紙板 8.0 N2 300 0.4 石英玻璃 1.9 O2 60 0.2 聚丙烯 5.5 N2 70 0.5 聚苯乙烯 3.2 N2 420 0.4 硬質(zhì)聚氯乙烯 7.0 N2 120 0.5 纖維增強塑料 3.0 N2 60 0.3 木材（膠合板） 18.0 N2 20 0.7 低碳鋼 1.0 N2 450 - 500 3.0 N2 150 6.0 N2 50 1.2 O2 600 0.15 2.0 O2 400 0.15 3.0 O2 250 0.2 不銹鋼 1.0 O2 300 - 3.0 O2 120 膠合板 18.0 N2 350 表2 常用材料的多模激光切割工藝參數(shù) 材料 板厚/mm 切割速度/cmmin-1 切縫寬度/mm 功率/kW 鋁 12 230 1 15 碳鋼 6 230 1 15 304不銹鋼 4.6 130 2 20 硼/環(huán)氧復(fù)合材料 8 165 1 15 纖維/環(huán)氧復(fù)合材料 12 460 0.6 20 膠合板 25.4 150 1.5 8 有機玻璃 25.4 150 1.5 8 玻璃 9.4 150 1 20 混凝土 38 5 6 8 （2）激光功率 激光切割所需要的激光功率主要取決于切割類型以及被切割材料的性質(zhì)。汽化切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧氣切割最小。激光功率對切割厚度、切割速度和切口寬度等有很大影響。一般激光功率增大，所能切割材料的厚度也增加，切割速度加快，切口寬度也有所加大。 激光功率與板厚和切割速度的關(guān)系見圖2。激光功率對切口寬度的影響見圖3。 （3）焦點位置（離焦量） 離焦量對切口寬度和切割深度影響較大。離焦量對切口寬度的影響見圖4。一般選擇焦點位于材料表面下方的約1/3板厚處，切割深度最大，切口寬度最小。采用激光功率為2.3kW、切割不同厚度鋼板時，離焦量對切割質(zhì)量的影響見圖5。 （4）焦點深度 切割較厚鋼板時，應(yīng)采用焦點深度大的光束，以獲得垂直度較好的切割面。但焦點深度大，光斑直徑也增大，功率密度隨之減小，使切割速度降低。若要保持一定的切割速度，則需要增大激光的功率；切割薄板宜采用較小的焦點深度，這樣光斑直徑小，功率密度高，切割速度加快。 （5）切割速度 切割速度直接影響切口寬度和切口表面粗糙度。不同材料的板厚，不同的切割氣體壓力，切割速度有一個最佳值，這個最佳值約為最大切割速度的80％。 切割速度與材料板厚的關(guān)系見圖6，圖中的上、下曲線分別表示能夠切透材料的最大和最小切割速度。切割速度對切口寬度的影響見圖7。切割速度對切口表面粗糙度的影響見圖8。 （6）輔助氣體的種類和壓力 切割低碳鋼較多采用O2作輔助氣體，以利用鐵-氧燃燒反應(yīng)熱促進切割過程，而且切割速度快，切口質(zhì)量好，可以獲得無掛渣的切口。切割不銹鋼時，常使用O2 N2混合氣體或雙層氣流。單用O2在切口底邊會發(fā)生掛渣。 氧氣純度對切割速度有一定的影響，研究表明，氧氣純度降低2%，切割速度就會降低 本文章更多內(nèi)容：1 - 2 - 3 - 下一頁>> 本文章共4286字，分3頁，當(dāng)前第2頁，快速翻頁：123 50%。氧氣純度對切割速度的影響見圖9。 氣體壓力增大，動量增加，排渣能力增強，因此可以使無掛渣的切割速度增加。但壓力過大，切割面反而會粗糙。激光氧氣切割時，氧氣壓力對切割速度的影響見圖10。 從圖10中可以看出，當(dāng)板厚一定時，存在一個最佳氧氣壓力，使切割速度最大；當(dāng)激光功率一定時，切割氧氣壓力的最佳值，隨板厚的增加而減小。 激光切割時，還需要根據(jù)被切割材料選用輔助氣體。表3列出激光切割用主要輔助氣體的適用材料。 表3 激光切割用主要輔助氣體的適用材料 輔助氣體 適用材料 備注 空氣 鋁 切割厚度1.5mm以下，能獲得良好的切割效果 塑料、木材、合成材料、玻璃、石英 - 氧化鋁陶瓷 所有氣體均適用，空氣成本最低 氧氣（O2） 碳素鋼 切割速度高、質(zhì)量好、切割面上有氧化物 不銹鋼 切割速度高，切割面上有較厚的氧化層。切割邊用于焊接時需要進行機加工 銅 用于切割厚度3mm以下時，能獲得良好的切割面 氮氣（N2） 不銹鋼 切割速度低，但切割邊的抗腐蝕能力不降低 鋁 用于切割厚度3mm以下時，切口整潔，切割面無氧化物 鎳合金 - 氬氣（Ar） 鈦 也可用于其他材料的切割 激光切割的操作程序及技術(shù)要點 （1）焦點位置的檢出 激光切割前需先根據(jù)材質(zhì)調(diào)整光束焦點在工件上位置，由于激光束，特別是CO2氣體激光，一般肉眼看不到，可采用圖11所示的楔形丙烯塊檢測出焦點位置，然后調(diào)節(jié)割炬的高度，使焦點處于設(shè)定位置。 （2）穿孔操作要點 實際切割加工時，有的零件需從板材的內(nèi)部開始切割，這就要先在板材上打孔。一種方法是采用連續(xù)激光，在薄板上穿孔，可以用正常的輔助氣體壓力，光束照射0.2～1s就能貫穿工件，然后即可轉(zhuǎn)入切割。當(dāng)工件厚度較大（如板厚為2～4mm）時，采用正常的氣體壓力穿孔，在工件表面上會形成尺寸比較大的熔坑。不但影響切割質(zhì)量，而且熔融物質(zhì)濺出可能損壞透鏡或噴嘴。此時宜適當(dāng)增大輔助氣體的壓力，同時略微增大噴嘴的孔徑和噴嘴與工件的距離。這種方法的缺點是氣體流量增加并使切割速度降低。另一種方法是采用脈沖激光穿孔，貫穿工件后再轉(zhuǎn)為連續(xù)激光進行切割。用這種方法時，每一個脈沖的能量要高，而脈沖間隔時間宜稍長一些，這樣可獲得質(zhì)量較好的穿孔，但脈沖穿孔所花的時間稍多些。 （3）防止工件銳角轉(zhuǎn)折處的燒熔 用連續(xù)激光切割帶有銳角的零件時，如切割參數(shù)匹配或操作不當(dāng)，在銳角的轉(zhuǎn)折處很容易發(fā)生自燒熔現(xiàn)象，不能形成轉(zhuǎn)角處的尖角。這不僅使該部位的質(zhì)量變差，而且還會影響隨后的切割。解決這一問題的辦法是選擇適宜的切割參數(shù)。而采用脈沖激光切割時不存在銳角轉(zhuǎn)折處的燒熔問題。 激光切割的質(zhì)量 （1）零件的尺寸精度 激光切割的熱變形很小，切割零件的尺寸精度主要取決于切割設(shè)備（包括驅(qū)動式工作平臺）的機械精度和控制精度。 在脈沖激光切割中，采用高精度的切割設(shè)備和控制技術(shù)，尺寸精度可達到微米級。CO2脈沖激光切割3mm厚的高碳鋼時尺寸偏差小于50μm。 （2）切口質(zhì)量 激光切割的切口質(zhì)量主要包括切口寬度、切割面的傾斜角和切割面粗糙度等。切口質(zhì)量要素如圖12所示。 1）切口寬度 激光切割金屬材料時，切口寬度同光束模式和聚焦后光斑直徑有很大的關(guān)系。根據(jù)光束模式和焦距，CO2激光束聚焦后的光斑直徑一般在0.15～0.3mm之間。 切割低碳鋼薄板時，在適當(dāng)加快切割速度的情況下，由于焦點設(shè)在工件的表面，切口寬度大致上等于光斑直徑。隨著切割板厚的增加，切割速度也下降，就形成上寬下窄的楔形切口[見圖12（a）]，而且上部的切口寬度通常也大于光斑直徑。 CO2激光切割碳素鋼時，切口寬度一般約為0.2～0.3mm。 2）切割面的傾斜角（θ） 激光切割厚板時，通常切口呈上寬下窄的楔形切口，有時切口下緣也出現(xiàn)倒V形[見圖12（b）]。 切割面的傾斜角θ與切割方向有關(guān)。CO2連續(xù)激光切割八邊形碳素鋼試件（見圖 本文章更多內(nèi)容：<<上一頁 - 1 - 2 - 3 - 下一頁>> 本文章共4286字，分3頁，當(dāng)前第3頁，快速翻頁：123 13）時切割面的傾斜角實測值見表4。 表4 CO2連續(xù)激光切割八邊形碳素鋼試件切割面的傾斜角實測值 切割方向及測定位置 A B C D E F G H 第1次測定值/（） 1 1 1 0 0 0 0 0 第2次測定值/（） 1 1 0 0 1 1 1 1 平均值/（） 1 1 0.5 0 0.5 0.5 0.5 0.5 注：1.激光器：CO2連續(xù)激光，單模式，額定輸出功率2000W。 2.切割速度為65cm/min。 由表4可見，無論哪一個切割方向，切割面的傾斜角θ都在0～1之間，基本上看不出明顯的傾斜。CO2激光切割不銹鋼時，為避免粘渣，焦點位置通常設(shè)在鋼板表面以下部位，因此傾斜角θ比切割碳素鋼時略大，而且即使切割不銹鋼薄板時也經(jīng)常出現(xiàn)傾斜的切割面。 切口下緣倒V形塌角量△F，在激光照射功率密度P0=3106W/cm2的條件下，其值大致為 △F≈（10～25）t （1） 式中 △F――塌角量，m； t――板厚，mm。 當(dāng)激光照射功率密度P0增大時，塌角量△F就減小。因此采用高功率密度的激光束切割時，切口下緣倒V形塌角量就不明顯。 3）切割面的粗糙度 影響激光切割面的因素很多，除光束模式和切割參數(shù)外，還與照射功率密度、切割工件的材質(zhì)和厚度有關(guān)。另外，沿板厚方向切割面粗糙度也存在很大的差異，一般上部較細(xì)，下部較粗。 功率1000W的CO2連續(xù)激光切割鋼材時，在激光照射功率密度P0≈3106W/cm2的條件下，切割面的平均粗糙度PZ可按式（1）估算。且隨著激光照射功率密度P0的增大，粗糙度PZ相應(yīng)減小。 圖14所示為低碳鋼切割面的平均粗糙度與板厚的關(guān)系。由圖可見，低碳鋼切割面的粗糙度隨板厚增大而變大。板厚1cm左右，其粗糙度為10m級。 CO2激光切割低碳鋼中厚板時切割面最大粗糙度的實測值見表5，最大粗糙度與板厚的關(guān)系見圖15。 表5 CO2激光切割低碳鋼中厚板時切割面最大粗糙度的實測值 板厚/mm 9 12 16 19 平均厚度/mm 切割面最大粗糙度 Rmax/m 上 11.00 13.88 17.32 25.96 17.04 中 11.72 19.48 20.72 29.64 20.39 下 17.76 35.56 43.16 54.16 37.66 平均值/m 13.49 22.97 27.07 36.58 25.03 由圖16和表5可以看出，切割面粗糙度隨板厚和沿板厚的不同位置有所差別。CO2脈沖切割面的粗糙度大大低于連續(xù)激光切割，在選用切割參數(shù)恰當(dāng)?shù)臈l件下，粗糙度僅為1～2m。 激光功率1000W，CO2連續(xù)激光切割各種鋁合金時切割面粗糙度的實測值見表6。 表6 CO2連續(xù)激光切割各種鋁合金時切割面粗糙度的實測值 板厚/mm 割紋深度/m AlCuMg合金（Mg2%） AlZnMgCu合金（Cu1.5%） AlMgSiCu合金 0.8 44 50 35 1.2 132 58 53 1.4 152 70 64 1.6 192 164 71 由表6可見，鋁合金的激光切割面的粗糙度比碳素鋼大得多。鈦合金的CO2激光切割面的粗糙度一般在15～170m。