原理
激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件,使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点,同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质,从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。
激光切割的原理见下图。
应用领域
国外除上述应用外,还在不断扩展其应用领域。
⑴采用三维激光切割系统或配置工业机器人,切割空间曲线,开发各种三维切割软件,以加快从画图到切割零件的过程。
⑵为了提高生产效率,研究开发各种切割系统,材料输送系统,直线电机驱动系统等,如今切割系统的切割速度已**过100m/min。
⑶为扩展工程机械、造船工业等的应用,切割低碳钢厚度已**过30mm,并特别注意研究用氮气切割低碳钢的工艺技术,以提高切割厚板的切口质量。因此在中国扩大CO2激光切割的工业应用领域,解决新的应用中一些技术难题仍然是工程技术人员的重要课题。
激光切割机是钣金加工的一次工艺革命,是钣金加工中的“加工”;激光切割机柔性化程度高,切割速度快,出产效率高,产品出产周期短,为客户赢得了广泛的市场,该技术的有效生命期长,国外**过2毫米厚度的板材大都采用激光切割机,很多国外的一致以为今后30-40年是激光加工技术发展的黄金时期。
一般来讲,建议以12mm以内的碳钢板、10mm以内的不锈钢板等金属材料切割推荐使用激光切割机。激光切割机无切削力,加工无变形:无磨损,材料适应性好:无论是简朴还是复杂零件,都可以用激光一次精密快速成型切割:其切缝窄,切割质量好,自动化程度高,操纵简便,劳动强度低,没有污染:可实现切割自动排样、套料、进步了材料利用率,出产本钱低,经济效益好。
激光切割机选购要考虑的因素很多,除了要考虑目前加工工件的大尺寸、材质、需要切割的大厚度以及原材料幅面的大小外,更多的需要考虑未来的发展方向,比如所做产品的技术改型后要加工的大工件大小、钢材市场所提供材料的幅面针对自己的产品哪种省料,上下料时间等等。
控制断裂
对于容易受热破坏的脆性材料,通过激光束加热进行高速、可控的切断,称为控制断裂切割。这种切割过程主要内容是:激光束加热脆性材料小块区域,引起该区域大的热梯度和严重的机械变形,导致材料形成裂缝。只要保持均衡的加热梯度,激光束可引导裂缝在任何需要的方向产生。
要注意的是,这种控制断裂切割不适合切割锐角和角边切缝。切割特大封闭外形也不容易获得成功。控制断裂切割速度快,不需要太高的功率,否则会引起工件表面熔化,破坏切缝边缘。其主要控制参数是激光功率和光斑尺寸大小。
喷嘴设计及控制技术
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。如今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。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,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
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