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激光切割机都有哪些优势?(激光切割的主要特性是什么)

作者:希文      发布时间:2021-07-24      浏览量:67727
激光切割机都有哪些优势?激光切割机作为近几年新兴的工艺手段,能把能量密度很高的激光束照射到待加工工件上,使局部受热熔化,然后利用高压气体吹去熔渣形成切缝。激光切割机的几大优势:1、割缝窄,精度高,割缝粗糙度好,切割后无需后道工序的再处理。2

激光切割机都有哪些优势?



激光切割机作为近几年新兴的工艺手段,能把能量密度很高的激光束照射到待加工工件上,使局部受热熔化,然后利用高压气体吹去熔渣形成切缝。激光切割机的几大优势:1、割缝窄,精度高,割缝粗糙度好,切割后无需后道工序的再处理。2、激光的自动化程度高,可以全封闭加工,无污染,噪声小,极大的改善了操作人员的工作环境。3、加工成本低廉。设备的一次性投资较贵,但连续的、大量的加工zui终使每个零件的加工成本降低下来。4、激光为非接触加工,惯性小,加工速度快,配合数控系统的CAD/CAM的软件编程,省时方便,整体效率很高。5、激光的高能量密度足以熔化任何金属,特别适合于加工一些高硬度、高脆性、高熔点的其他工艺手段难以加工的材料。6、激光加工的能量密度很大,作用时间短,热影响区小,热变形小,热应力小,加上激光为非机械接触加工,对工件没有机械应力作用,适合于精密加工。7、激光加工系统本身是一套计算机系统,可以方便的编排、修改,适合个性化加工,特别是对一些轮廓形状复杂的钣金件,批次较多批量不大,产品生命周期不长,从技术,经济成本和时间角度来衡量,制造模具不划算,激光切割尤具优势。


激光切割的主要特性是什么


第一,激光光能转换成惊人的热能保持在极小的区域内,可提供:(1)狭的直边割缝(2)最小的邻近切边的热影响区(3)极小的局部变形
第二,激光束对工件不施加任何力,它是无接触切割工具,这就意味着:(1)工件无机械变形(2)无刀具磨损,也谈不上刀具的转换问题(3)切割材料无须考虑它的硬度,也即激光切割能力不受被切材料的硬度影响,任何硬度的材料都可以切割
第三,激光束可控性强,并有高的适应性和柔性,因此:(1)与自动化设备相结合很方便,容易实现切割过程自动化(2)由于不存在对切割工件的限制,激光束具有无限的仿形切割能力(3)与计算机结合,可整张板排料,节省材料
 大多数有机与无机材料都可以用激光切割。在工业制造系统占有份量很重的金属加工业,许多金属材料,不管它是什么样的硬度,都可以进行无变形切割。
二、激光切割是一种高能量、密度可控性好的无接触加工。

co2激光切割的几项关键技术是光、机、电一体化的综合技术。
激光束的参数、机器与数控系统的性能和精度都直接影响激光切割的效率和质量。特别是对于切割精度较高或厚度较大的零件,必须掌握和解决以下几项关键技术:
焦点位置控制技术
激光切割的优点之一是光束的能量密度高,一般10w/cm2。由于能量密度与4/πd2成正比,所以焦点光斑直径尽可能的小,以便产生一窄的切缝;同时焦点光斑直径还和透镜的焦深成正比。聚焦透镜焦深越小,焦点光斑直径就越小。但切割有飞溅,透镜离工件太近容易将透镜损坏,因此一般大功率co2激光切割工业应用中广泛采用5〃~7.5〃〞(127~190mm)的焦距。实际焦点光斑直径在0.1~0.4mm之间。对于高质量的切割,有效焦深还和透镜直径及被切材料有关。例如用5〃的透镜切碳钢,焦深为焦距的+2围内,即5mm左右。因此控制焦点相对于被切材料表面的位置十分重要。顾虑到切割质量、切割速度等因素,原则上6mm的金属材料,焦点在表面上; 6mm的碳钢,焦点在表面之上; 6mm的不锈钢,焦点在表面之下。具体尺寸由实验确定。
在工业生产中确定焦点位置的简便方法有三种:(1)打印法:使切割头从上往下运动,在塑料板上进行激光束打印,打印直径最小处为焦点。(2)斜板法:用和垂直轴成一角度斜放的塑料板使其水平拉动,寻找激光束的最小处为焦点。(3)蓝色火花法:去掉喷嘴,吹空气,将脉冲激光打在不锈钢板上,使切割头从上往下运动,直至蓝色火花最大处为焦点。对于飞行光路的切割机,由于光束发散角,切割近端和远端时光程长短不同,聚焦前的光束尺寸有一定差别。入射光束的直径越大,焦点光斑的直径越小。为了减少因聚焦前光束尺寸变化带来的焦点光斑尺寸的变化,国内外激光切割系统的制造商提供了一些专用的装置供用户选用:
(1)平行光管。这是一种常用的方法,即在co2激光器的输出端加一平行光管进行扩束处理,扩束后的光束直径变大,发散角变小,使在切割工作范围内近端和远端聚焦前光束尺寸接近一致。
(2)在切割头上增加一独立的移动透镜的下轴,它与控制喷嘴到材料表面距离(stand off)的z轴是两个相互独立的部分。当机床工作台移动或光轴移动时,光束从近端到远端f轴也同时移动,使光束聚焦后光斑直径在整个加工区域内保持一致。如图二所示。
(3)控制聚焦镜(一般为金属反射聚焦系统)的水压。若聚焦前光束尺寸变小而使焦点光斑直径变大时,自动控制水压改变聚焦曲率使焦点光斑直径变小。
(4)飞行光路切割机上增加x、y方向的补偿光路系统。即当切割远端光程增加时使补偿光路缩短;反之当切割近端光程减小时,使补偿光路增加,以保持光程长度一致。
切割穿孔技术
任何一种热切割技术,除少数情况可以从板边缘开始外,一般都必须在板上穿一小孔。早先在激光冲压复合机上是用冲头先冲出一孔,然后再用激光从小孔处开始进行切割。对于没有冲压装置的激光切割机有两种穿孔的基该方法:
(1)爆破穿孔:(blast drilling),材料经连续激光的照射后在中心形成一凹坑,然后由与激光束同轴的氧流很快将熔融材料去除形成一孔。一般孔的大小与板厚有关,爆破穿孔平均直径为板厚的一半,因此对较厚的板爆破穿孔孔径较大,且不圆,不宜在要求较高的零件上使用(如石油筛缝管),只能用于废料上。此外由于穿孔所用的氧气压力与切割时相同,飞溅较大。
(2)脉冲穿孔:(pulse drilling)采用高峰值功率的脉冲激光使少量材料熔化或汽化,常用空气或氮气作为辅助气体,以减少因放热氧化使孔扩展,气体压力较切割时的氧气压力小。每个脉冲激光只产生小的微粒喷射,逐步深入,因此厚板穿孔时间需要几秒钟。一旦穿孔完成,立即将辅助气体换成氧气进行切割。这样穿孔直径较小,其穿孔质量优于爆破穿孔。为此所使用的激光器不但应具有较高的输出功率;更重要的时光束的时间和空间特性,因此一般横流co2激光器不能适应激光切割的要求。此外脉冲穿孔还须要有较可靠的气路控制系统,以实现气体种类、气体压力的切换及穿孔时间的控制。在采用脉冲穿孔的情况下,为了获得高质量的切口,从工件静止时的脉冲穿孔到工件等速连续切割的过渡技术应以重视。从理论上讲通常可改变加速段的切割条件:如焦距、喷嘴位置、气体压力等,但实际上由于时间太短改变以上条件的可能性不大。在工业生产中主要采用改变激光平均功率的办法比较现实,具体方法有以下三种:(1)改变脉冲宽度;(2)改变脉冲频率;(3)同时改变脉冲宽度和频率。实际结果表明,第(3)种效果最好。
喷嘴设计及气流控制技术
激光切割钢材时,氧气和聚焦的激光束是通过喷嘴射到被切材料处,从而形成一个气流束。对气流的基本要求是进入切口的气流量要大,速度要高,以便足够的氧化使切口材料充分进行放热反应;同时又有足够的动量将熔融材料喷射吹出。因此除光束的质量及其控制直接影响切割质量外,喷嘴的设计及气流的控制(如喷嘴压力、工件在气流中的位置等)也是十分重要的因素。目前激光切割用的喷嘴采用简单的结构,即一锥形孔带端部小圆孔(如图4)。通常用实验和误差方法进行设计。由于喷嘴一般用
紫铜制造,体积较小,是易损零件,需经常更换,因此不进行流体力学计算与分析。在使用时从喷嘴侧面通入一定压力pn(表压为pg)的气体,称喷嘴压力,从喷嘴出口喷出,经一定距离到达工件表面,其压力称切割压力pc,最后气体膨胀到大气压力pa。研究工作表明随着pn的增加,气流流速增加,pc也不断增加。
可用下列公式计算:v=8.2d2(pg+1)
v-气体流速 l/min
d-喷嘴直径 mm
pg-喷嘴压力(表压)bar
对于不同的气体有不同的压力阈值,当喷嘴压力超过此值时,气流为正常斜激波,气流速从亚音速向超音速过渡。此阈值与pn、pa比值及气体分子的自由度(n)两因素有关:如氧气、空气的n=5,因此其阈值pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar。当喷嘴压力更高pn/pa=(1+1/n)1+n/2时(pn;4bar),气流正常斜激波封变为正激波,切割压力pc下降,气流速度减低,并在工件表面形成涡流,削弱了气流去除熔融材料的作用,影响了切割速度。因此采用锥孔带端部小圆孔的喷嘴,其氧气的喷嘴压力常在3bar以下。
为进一步提高激光切割速度,可根据空气动力学原理,在提高喷嘴压力的前提下不产生正激波,设计制造一种缩放型喷嘴,即拉伐尔(laval)喷嘴。为方便制造可采用如图4的结构。德国汉诺威大学激光中心使用500wco2激光器,透镜焦距2.5〃,采用小孔喷嘴和拉伐尔喷嘴分别作了试验,见图4。试验结果如图5所示:分别表示no2、no4、no5喷嘴在不同的氧气压力下,切口表面粗糙度rz与切割速度vc的函数关系。从图中可以看出no2小孔喷嘴在pn为400kpa(或4bar)时切割速度只能达到2.75m/min(碳钢板厚为2mm)。no4、no5二种拉伐尔喷嘴在pn为500kpa到600kpa时切割速度可达到3.5m/min和5.5m/min。应指出的是切割压力pc还是工件与喷嘴距离的函数。由于斜激波在气流的边界多次反射,使切割压力呈周期性的变化。
第一高切割压力区紧邻喷嘴出口,工件表面至喷嘴出口的距离约为0.5~1.5mm,切割压力pc大而稳定,是目前工业生产中切割手扳常用的工艺参数。第二高切割压力区约为喷嘴出口的3~3.5mm,切割压力pc也较大,同样可以取得好的效果,并有利于保护透镜,提高其使用寿命。曲线上的其他高切割压力区由于距喷嘴出口太远,与聚焦光束难以匹配而无法采用。

1. 激光切割的切缝窄,工件变形小激光束聚焦成很小的光点,使焦点处达到很高的功率密度。这时光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分,材料很快加热至汽化程度,蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动,使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。切边受热影响很小,基本没有工件变形。 切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助汽体。钢切割时利用氧作为辅助汽体与熔融金属产生放热化学反应氧化材料,同时帮助吹走割缝内的熔渣。切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气,棉、纸等易燃材料切割使用惰性汽体。进入喷嘴的辅助汽体还能冷却聚焦透镜,防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。 大多数有机与无机材料都可以用激光切割。在工业制造系统占有份量很重的金属加工业,许多金属材料,不管它是什么样的硬度,都可以进行无变形切割。当然,对高反射率材料,如金、银、铜和铝合金,它们也是好的传热导体,因此激光切割很困难,甚至不能切割。 激光切割无毛刺、皱折、精度高,优于等离子切割。对许多机电制造行业来说,由于微机程序控制的现代激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件,它往往比冲切、模压工艺更被优先选用;尽管它加工速度还慢于模冲,但它没有模具消耗,无须修理模具,还节约更换模具时间,从而节省了加工费用,降低了生产成本,所以从总体上考虑是更合算的。
2. 激光切割是一种高能量、密度可控性好的无接触加工
激光束聚焦后形成具有极强能量的很小作用点,把它应用于切割有许多特点。首先,激光光能转换成惊人的热能保持在极小的区域内,可提供
(1)狭的直边割缝;
(2)最小的邻近切边的热影响区;
(3)极小的局部变形。
其次,激光束对工件不施加任何力,它是无接触切割工具,这就意味着
(1)工件无机械变形;
(2)无刀具磨损,也谈不上刀具的转换问题;
(3)切割材料无须考虑它的硬度,也即激光切割能力不受被切材料的硬度影响,任何硬度的材料都可以切割。
再次,激光束可控性强,并有高的适应性和柔性,因而
(1)与自动化设备相结合很方便,容易实现切割过程自动化;
(2)由于不存在对切割工件的限制,激光束具有无限的仿形切割能力;
(3)与计算机结合,可整张板排料,节省材料。
3. 激光切割具有广泛的适应性和灵活性
与其它常规加工方法相比,激光切割具有更大的适应性。 首先,与其他热切割方法相比,同样作为热切割过程,别的方法不能象激光束那样作用于一个极小的区域,结果导致切口宽、热影响区大和明显的工件变形。激光能切割非金属,而其它热切割方法则不能。


激光切割的优点局限和缺点



下面简单介绍一下三种激光切割机的特点:  第一类 YAG固体激光切割机   YAG固体激光切割机具有价格低、稳定性好的特点,但能量效率低一般<3%,目前产品的输出功率大多在800W以下,由于输出能量小,主要用于打孔及薄板的切割。它的绿色激光束可在脉冲或连续波的情况下应用,具有波长短、聚光性好适于精密加工特别是在脉冲下进行孔加工最为有效,也可用于切削、焊接和光刻等。YAG固体激光切割机激光器的波长不易被非金属吸收,故不能切割非金属材料,且YAG固体激光切割机需要解决的是提高电源的稳定性和寿命,即要研制大容量、长寿命的光泵激励光源,如采用半导体光泵可使能量效率大幅度地增长。  主要优点:能切割其他激光切割机都无法切割的铝板,铜板以及大多数有色金属材料,机器采购价格便宜,使用成本低,维护简单,大部分关键技术已被国内企业所掌握,配件价格及维护成本低,且机器操作维护简单,对工人人员素质要求不高。  主要劣势及缺点:只能切割8mm以下的材料,且切割效率相当较低  主要市场定位:8mm以下切割,主要针对自用型中小企业和加工要求不是特别高的大多数钣金制造,家电制造,厨具制造,,装饰装潢,广告等行业用户,逐步取代线切割,数控冲床,水切割,小功率等离子等传统加工设备。  第二类 光纤激光切割机  光纤激光切割机由于它可以通过光纤传输,柔性化程度空前提高,故障点少,维护方便,速度快,所以在切割4mm以内薄板时光纤切割机有着很大的优势,但是受固体激光波长的影响它在切割厚板时质量较差。光纤激光切割机的波长为1.06um,不易被非金属吸收,故不能切割非金属材料。光纤激光的光电转化率高达25%以上,在电费消耗、配套冷却系统等方面光纤激光的优势相当明显。根据国际安全标准,激光危害等级分4级,光纤激光由于波长短对人体由于是眼睛的伤害大,属于危害最大的一级,出于安全考虑,光纤激光加工需要全封闭的环境。  主要优点:光电转换率高,电力消耗少,能切割12MM以内的不锈钢板,碳钢板,是这三种机器中切割薄板速度最快的激光切割机,割缝细小,光斑质量好,可用于精细切割。  主要劣势及缺点:目前光纤激光器大部分核心关键技术都掌握在欧美等国家的一两个生产厂家手中,所以大部分机器价格昂贵,大部分的机器价格在150万以上,小功率的也基本在50万元左右,切割时由于光纤割缝很细耗气量巨大(尤其是在氮气切割时),另外光纤激光切割机很难甚至不能切割铝板,铜板等高反射材料,且在切割厚板时速度很慢。  主要市场定位:12mm以下切割,尤其是薄板的高精密加工,主要针对对加精度及效率要求极高的厂家,估计伴随着5000W及以上激光器的出现,光纤激光切割机最终会取代CO2大功率激光切割机的大部分市场。  第三类 CO2激光切割机  CO2激光切割机,可以稳定切割20mm以内的碳钢,10mm以内的不锈钢,8mm以下的铝合金。CO2激光器的波长为10.6um,比较容易被非金属吸收,可以高质量地切割木材、亚克力、PP、有机玻璃等非金属材料,但是CO2激光的光电转化率只有10%左右。CO2激光切割机在光束出口处装有喷吹氧气、压缩空气或惰性气体N2的喷嘴,用以提高切割速度和切口的平整光洁。为了提高电源的稳定性和寿命,对于CO2气体激光要解决大功率激光器的放电稳定性。根据国际安全标准,激光危害等级分4级,CO2激光属于危害最小的一级。  主要优点:功率大,一般功率都在2000-4000W之间,能切割25毫米以内的全尺寸不锈钢,碳钢等常规材料,以及4 mm以内铝板和60MM以内的亚克力板,木质材料板,PVC板,且在切割薄板时速度很快。另外,由于CO2激光器输出的是连续激光,其在切割时,是这三种激光切割机中切割断面效果最光滑最好的。  主要劣势及缺点:由于CO2激光器大部分核心关键技术都掌握在欧美厂家手中,所以大部分机器价格昂贵,大部分的机器价格在200万以上,且配件耗材等相关维护费用极高,另外在实际使用用运营成本很高,且切割时耗气量很大。  主要市场定位:6-25毫米的中厚板切割加工,主要针对大中型企业以及部分纯对外加工的激光切割加工企业,但由于其激光器维护耗损大,主机耗电量大等无法克服因素,近年来其市场受固体激光切割机以及光纤激光切割机的巨大冲击,市场处于明显萎缩的状态,估计经过未来激光器的进一步发展,最终CO2激光切割机将被光纤激光切割机所取代。  客户在评估激光切割机的过程中,应当根据自己的需求及割目的,来选择不同的切割设备。