激光切割工藝.doc

激光切割工藝1技術(shù)優(yōu)勢(shì)激光切割具有非常靈活的切割能力，可提高切割質(zhì)量，降低切割成本。激光切割特別適合于難以用機(jī)械方法切割的材料，比如極硬和脆性材料。由于其加工時(shí)的沖擊力可以忽略不計(jì)，因而激光束也可用于切割薄板和較為敏感的工件。2技術(shù)方案激光切割的效果取決于激光波長(zhǎng)、激光強(qiáng)度等一些參數(shù)，光和C02激光。目前主要使用的是Nd：YAG激IPT研究院可對(duì)不同的切割技術(shù)進(jìn)行對(duì)比研究(如水射流切割或傳統(tǒng)的機(jī)切削)，并可針對(duì)企業(yè)具體情況制訂合適的工藝路線和實(shí)施方案。正努力作到(1)進(jìn)行生產(chǎn)短期優(yōu)化而不需要擴(kuò)大投資；(2)通過(guò)及早規(guī)劃利用激光切割技術(shù)，維持長(zhǎng)期的競(jìng)爭(zhēng)力。3服務(wù)(1)中介咨詢(xún)(2)工藝設(shè)計(jì)和過(guò)程優(yōu)化(3)對(duì)所需要加工材料進(jìn)行可行性研究(4)效率跟蹤(5)部件樣品的切割(6)為在企業(yè)內(nèi)部實(shí)施提供支持激光切割技術(shù)的主要特性和工藝一、激光切割的主要特性1. 激光切割的切縫窄，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。 2. 激光切割是一種高能量、密度可控性好的無(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（1）狹的直邊割縫；（2）最小的鄰近切邊的熱影響區(qū)；（3）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（1）工件無(wú)機(jī)械變形；（2）無(wú)刀具磨損，也談不上刀具的轉(zhuǎn)換問(wèn)題；（3）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（1）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；（2）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；（3）與計(jì)算機(jī)結(jié)合，可整張板排料，節(jié)省材料。 3. 激光切割具有廣泛的適應(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。 二、激光切割的主要工藝 1. 汽化切割在高功率密度激光束的加熱下，材料表面溫度升至沸點(diǎn)溫度的速度是如此之快，足以避免熱傳導(dǎo)造成的熔化，于是部分材料汽化成蒸汽消失，部分材料作為噴出物從切縫底部被輔助氣體流吹走。 2. 熔化切割當(dāng)入射的激光束功率密度超過(guò)某一值后，光束照射點(diǎn)處材料內(nèi)部開(kāi)始蒸發(fā)，形成孔洞。一旦這種小孔形成，它將作為黑體吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金屬壁所包圍，然后，與光束同軸的輔助氣流把孔洞周?chē)娜廴诓牧蠋ё?。隨著工件移動(dòng)，小孔按切割方向同步橫移形成一條切縫。激光束繼續(xù)沿著這條縫的前沿照射，熔化材料持續(xù)或脈動(dòng)地從縫內(nèi)被吹走。 3. 氧化熔化切割熔化切割一般使用惰性氣體，如果代之以氧氣或其它活性氣體，材料在激光束的照射下被點(diǎn)燃，與氧氣發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生另一熱源，稱(chēng)為氧化熔化切割。 4. 控制斷裂切割 對(duì)于容易受熱破壞的脆性材料，通過(guò)激光束加熱進(jìn)行高速、可控的切斷，稱(chēng)為控制斷裂切割。這種切割過(guò)程主要內(nèi)容是：激光束加熱脆性材料小塊區(qū)域，引起該區(qū)域大的熱梯度和嚴(yán)重的機(jī)械變形，導(dǎo)致材料形成裂縫。只要保持均衡的加熱梯度，激光束可引導(dǎo)裂縫在任何需要的方向產(chǎn)生。 三、常用工程材料的激光切割 1. 金屬材料的激光切割雖然幾乎所有的金屬材料在室溫對(duì)紅外波能量有很高的反射率，但發(fā)射處于遠(yuǎn)紅外波段10.6um光束的CO2激光器還是成功的應(yīng)用于許多金屬的激光切割實(shí)踐。金屬對(duì)10.6um激光束的起始吸收率只有0.5%10%，但是，當(dāng)具有功率密度超過(guò)106w/cm2的聚焦激光束照射到金屬表面時(shí)，卻能在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)很快使表面開(kāi)始熔化。處于熔融態(tài)的大多數(shù)金屬的吸收率急劇上升，一般可提高60%80%。 2. 非金屬材料的激光切割10.6m波長(zhǎng)的CO2激光束很容易被非金屬材料吸收，導(dǎo)熱性不好和低的蒸發(fā)溫度又使吸收的光束幾乎整個(gè)輸入材料內(nèi)部，并在光斑照射處瞬間汽化，形成起始孔洞，進(jìn)入切割過(guò)程的良性循環(huán)。激光的原理和特性激光的最初中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱(chēng)LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞的頭一個(gè)字母組成的縮寫(xiě)詞。意思是“受激輻射的光放大”。什么叫做“受激輻射”？它基于偉大的科學(xué)家愛(ài)因斯坦在1916年提出了的一套全新的理論。這一理論是說(shuō)在組成物質(zhì)的原子中，有不同數(shù)量的粒子（電子）分布在不同的能級(jí)上，在高能級(jí)上的粒子受到某種光子的激發(fā)，會(huì)從高能級(jí)跳到（躍遷）到低能級(jí)上，這時(shí)將會(huì)輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，而且在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個(gè)弱光激發(fā)出一個(gè)強(qiáng)光的現(xiàn)象。這就叫做“受激輻射的光放大”，簡(jiǎn)稱(chēng)激光。激光主要有四大特性：激光高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。激光的高亮度：固體激光器的亮度更可高達(dá)1011Wcm2Sr。不僅如此，具有高亮度的激光束經(jīng)透鏡聚焦后，能在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生數(shù)千度乃至上萬(wàn)度的高溫，這就使其可能可加工幾乎所有的材料。激光的高方向性：激光的高方向性使其能在有效地傳遞較長(zhǎng)的距離的同時(shí)，還能保證聚焦得到極高的功率密度，這兩點(diǎn)都是激光加工的重要條件激光的高單色性：由于激光的單色性極高，從而保證了光束能精確地聚焦到焦點(diǎn)上，得到很高的功率密度。激光的高相干性：相干性主要描述光波各個(gè)部分的相位關(guān)系。正是激光具有如上所述的奇異特性，因此在工業(yè)加工中得到了廣泛地應(yīng)用。 激光切割是激光加工行業(yè)中最量要的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù),由于具有諸多特點(diǎn),已廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)、機(jī)車(chē)車(chē)輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等工業(yè)部門(mén)。近年來(lái)，激光切割技術(shù)發(fā)展很快，國(guó)際上每年都以2030的速度增長(zhǎng)。我國(guó)自1985年以來(lái)，更以每年25 以上的速度增長(zhǎng)。由于我國(guó)激光工業(yè)基礎(chǔ)較差，激光加工技術(shù)的應(yīng)用尚不普遍，激光加工整體水平與先進(jìn)國(guó)家相比仍有較大差距，相信隨著激光加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些障礙和不足會(huì)得到解決。激光切割技術(shù)必將成為21 世紀(jì)不可缺少的重要的鈑金加工手段。激光切割加工廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，加上現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)激光切割加工技術(shù)進(jìn)行不斷探入的研究，推動(dòng)著激光切割技術(shù)不斷地向前發(fā)展。 （1）伴隨著激光器向大功率發(fā)展以及采用高性能的CNC及伺服系統(tǒng),使用高功率的激光切割可獲得高的加工速度,同時(shí)減小熱影響區(qū)和熱畸變； 所能夠切割的材料板厚也格進(jìn)一步地提高，高功率激光可以通過(guò)使用Q 開(kāi)關(guān)或加載脈沖波，從而使低功率激光器產(chǎn)生出高功率激光。 （2）根據(jù)激光切割工藝參數(shù)的影響情況，改進(jìn)加工工藝，如：增加輔助氣體對(duì)切割熔渣的吹力；加入造渣劑提高熔體的流動(dòng)性；增加輔助能源，并改善能量之間的耦合；以及改用吸收率更高的激光切割。 （3）激光切割將向高度自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。將CAD/CAPP/CAM以及人工智能運(yùn)用于激光切割，研制出高度自動(dòng)化的多功能激光加工系統(tǒng)。 （4）根據(jù)加工速度自適應(yīng)地控制激光功率和激光模式或建立工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和專(zhuān)家自適應(yīng)控制系統(tǒng)使得激光切割整機(jī)性能普遍提高。以數(shù)據(jù)庫(kù)為系統(tǒng)核心，面向通用化CAPP開(kāi)發(fā)工具，對(duì)激光切割工藝設(shè)計(jì)所涉及的各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立相適應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。 （5） 向多功能的激光加工中心發(fā)展，將激光切割、激光焊接以及熱處理等各道工序后的質(zhì)量反饋集成在一起，充分發(fā)揮激光加工的整體優(yōu)勢(shì)。 （6）隨若Internet和WEB技術(shù)的發(fā)展，建立基于WEB的網(wǎng)