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激光切割的机理与机械工艺技术
2017-04-18 16:31:42  作者:陆桂君  来源:网络
  • 激光切割具有切割质量好、效率高、速度快等特点,与其他热切割方法相比,激光切割不仅适用面广,而且能够实现无接触加工,具有广泛的市场发展空间。文章首先列举了激光切割的特点和应用优势,随后分别阐述了激光汽化切割、熔化切割、氧气切割的技术原理,最后对具体的工艺技术和切割参数进行了详细分析。

  1.激光切割的特点

  激光切割是利用大功率、高密度的激光束照射被切割材料,从而以瞬时高温使材料汽化,并蒸发形成孔洞,随着激光光束的位移,孔洞由点成线,形成连续的切缝,从而达到切割材料的效果。近年来,随着电子信息工程和计算机技术的不断成熟和应用,激光切割也实现了数字化控制,切割精度也有了很大提升,推动了机械加工和切割工艺的发展。所有集中热能是材料熔化或分离的方法,都被统称为热切割。激光切割与其他热切割方法(火焰切割、电弧切割)相比,其主要特点表现在以下几个方面。

      1.1 激光切割质量更好

  激光光束能够根据切割精度要求的不同进行适当调节,在机械加工领域,激光光斑直径的精度可达 0.1mm。利用这种光径切割机械零件,不仅切割口表面光滑,不会出现明显的毛刺,满足大多数情况下的机械零件使用需求,而且切缝立面相互平行,被加工机械零件的几何形状良好。对于一般性的机械零件来说,利用激光切割不需要进行额外的尺寸校对和打磨处理,可以直接进行使用。

   1.2 激光切割效率更高

  技术融合成为现代机械行业发展的主流趋势。将激光切割与信息技术、数控技术相结合,不仅提高了激光切割进度,而且明显改善了切割效率。目前来说,利用数控工作台控制激光切割机,通过程序指令的控制,可以切割不同形状的机械零件,极大的提升了切割效率。例如,现有一台 1500W 的激光机,切割厚度为 3mm 的低碳钢板,最高切割速度能够达到 6×103mm/min,如果是切割树脂材料,切割速度还能够提升到 1×104mm/min 以上。

   1.3 激光切割材料种类多

  激光切割不仅能够加工常见的金属材料和非金属材料,而且还可以用来加工皮革制品、木材纤维等。当然,对于不同的材料制品,激光切割的适应性也会有所差异,在切割加工时应当合理选择。

  2.激光切割的分类及其机理分析

  

        2.1 激光汽化切割的机理分析

  无论是金属材料还是非金属材料,都具有固定的沸点,例如铁的沸点是 2750 摄氏度,金的沸点是 2966 摄氏度等。当外界温度达到这些材料的沸点后,材料就会开始汽化,形成蒸汽。激光汽化切割的机理就是利用高能量的激光束作为热源,使机械材料在瞬间达到沸点并汽化。由于温度极高,因此会在短时间内产生高速喷出的蒸汽,并在材料上留下整齐的切口。激光汽化切割需要激光器具有很大的功率,因此这种切割方法通常用于切割厚度较小的金属薄板,或是一些沸点较低的非金属材料,例如木材、塑料等。

    2.2 激光熔化切割的机理分析

  激光熔化切割也是首先利用激光瞬时高温使材料熔化。与汽化切割不同的是,在材料熔化后,需要用光束同轴的喷嘴向激光照射点吹出非氧化性气体,依靠喷嘴强大的压力,使熔化的材料不断排出,进而形成切口。在非氧化性气体的作用下,熔化切割不需要将机械材料完全汽化,因此所需要的加工能力也就相对较少,通常情况下只有汽化切割的 10%-15%。常用的非氧化性气体有氦气、氩气,熔化切割的主要材料以活泼型技术材料为主,例如铝、钢、钛合金等。

   2.3 激光氧气切割的机理分析

  从作用效果上看,激光氧气切割与氧乙炔切割类似,两者都是利用预热热源,将氧气、氢气等活性气体作为切割气体,而激光氧气切割的预热热源是激光。激光氧气切割与上述两种切割方式的不同之处在于,它直接利用活性气体切割金属材料:喷出的气体一方面能够在激光高温的作用下,与金属发生氧化反应,并且在这一化学反应中生产大量的氧化热;另一方面,高速喷出的气体还能将熔化的金属和氧化物吹出,形成切口。由于活性气体在氧化反应中放出了大量的热量,在一定程度上发挥了熔化金属材料的作用,因此切割所耗损的能量较低。

   3.激光切割的工艺参数

  衡量激光切割工艺和机械加工质量的参数主要包括激光功率、切口宽度、切割速度等,除此之外像光束质量、离焦量等,也会在一定程度上影响激光切割的整体质量。

  3.1 激光功率

  决定激光功率的主要因素的激光器,激光功率越大,则切割速度越快,切割效果越好。除了受自身硬件条件的制约外,激光功率还受到外界因素的影响,包括切割材料的性质、材料的导热性能等。例如,切割材料表面光滑,光反射率高,那么激光的利用效率就高,切割效果更好;切割材料如果为良性热导体,切割点的热量能够迅速传播到机械材料的其他部位,则容易产生“热区效应”,容易出现材料变形或切口粗糙等问题。

   3.2 切割速度

  影响激光切割速度的因素多种多样,例如采用不同的切割工艺、切割不同的机械材料以及切割气体压力的大小等。通常来说,激光能量越高、材料厚度越小、切割气体压力越大,切割速度就快,反之同理。需要注意的是,我们在进行机械加工时,不应当一味追求激光切割速度,还应当兼顾激光切割质量。尤其是一些精密度要求极高的机械零件,必须要求激光切割的精度达到一定水平,以保证机械加工零件的可用性。

     3.3 气体压力

  激光切割喷吹的气体有以下作用:一是用来熔化切割金属材料,并依靠喷吹气体的压力将液态金属吹走,形成切口;二是用于氧助熔化切割,气体与切割金属反应放热,可提供部分切割能量。但是,气体对材料又具有冷却作用,能从切割区带走部分能量。因此气体对切割质量有重要影响。不同的喷嘴,使用的气体流量也不同。在功率和切割材料板厚一定时,有最佳切割气体流量,此切割速度最决。而激光功率的增加,切割气体的最佳流量增大。无论采取何种激光切割方式,都需要对气体压力进行科学控制,既要保证气体能够吹出熔化金属和氧化物,又要防止切口不整齐,影响激光切割质量。

   3.4 光束质量、透镜焦距和离焦量

  激光器输出光束的模式为基横模时对激光切割非常有利。通过聚焦后获得较小的光斑和较高的功率密度。研究表明,非氧助切割时切口宽度与激光光斑直径基本相等。光斑的大小与聚焦透镜的焦距成正比。短焦距的透镜尽管能得到较小的光斑,而焦深较小。激光加工技术中采用的焦深定义为:如果光束某横截面中心的功率密度为焦点处的 50%,此点与焦点的距离即是焦深。焦深越小,能切割的板厚越薄,工件表面到透镜的距离要求就严格。切割厚板,要选用焦距较大的聚焦透镜。离焦量对切割速度和切割深度有较大的影响,切割时要保持不变,通常离焦量要选用负值,焦点位置处在切割板面下面的某点。

  4.结束语

  激光切割是钣金加工的一次工艺革命,由于激光切割具有切割速度快、产品质量好等特点,因此在机械加工行业受到了广泛的认可。近年来,我国激光产业及其配套技术发展迅速,但是在高端激光设备核心技术方面与国外发达国家仍有差距,这就需要我们在不断提高激光切割技术的同时,加强实践应用,积累工作经验,从而实现激光切割工艺技术的不断进步。


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