激光切割技术

先进制造技术先进制造技术 课程论文课程论文 激光切割板材表面质量研究激光切割板材表面质量研究 摘要 摘要 从激光切割的原理 优点 表面质量内容及其影响因素和激光切割板材表面质量研究进展进行了 综述 最后说明了通过调整各影响因素改善切割质量的方法 关键词 关键词 激光切割 影响因素 焦点 气压 速度 功率 The plate surface quality research of the laser cutting Abstract From the principle and advantages of laser cutting surface quality of the content and its influencing factors and the surface quality of the laser cutting plate research progress were summarized and finally illustrates by adjusting the various factors affecting the way to improve cutting quality Key words Laser cutting Influencing factors The focus Air pressure Speed power 1 引言引言 激光切割技术是一种现代科技 广泛应用于金属和非金属材料的加工中 可大大减少加工时间 降 低加工成本 提高工件质量 由于它具备精密制造 柔性切割 异型加工 一次成形 速度快 效率高 等优点 所以在工业生产中解决了许多常规方法无法解决的难题 成了人们所幻想追求的 削铁如泥 的 宝剑 2 原理原理 激光切割是利用经聚焦的高功率密度光束照射工件 材料吸收激光能 温度急剧升高 工件表面开 始熔化或气化 并吹入活性气体助燃 随着激光束与工件的相对运动 同时用与激光束同轴的压缩气体 吹走被熔化的材料 在工件上形成切缝 激光照射工件表面时 一部分光被吸收 另一部分光被工件反 射 吸收部分转化为热能 使工件表面温度急剧升高 材料熔化 气化 产生黑洞效应 使材料吸收率 提高 迅速加热切割区材料 此时吹氧可以助燃 并提供大量热能 使切割速度提高 还可吹走熔渣 保护和冷却镜头 3 3 激光切割技术的明显优点激光切割技术的明显优点 1 切割质量好 切口宽度窄 一般为 0 1 0 5mm 精度高 一般孔中心距误差 0 1 0 4mm 轮廓 尺寸误差 0 1 0 5mm 切口表面粗糙度好 一般 Ra 为 12 5 25 m 切缝一般不需要再加工即可焊接 2 切割速度快 例如采用 2KW 激光功率 8mm 厚的碳钢切割速度为 1 6m min 2mm 厚的不锈钢 切割速度为 3 5m min 热影响区小 变形极小 3 清洁 安全 无污染 大大改善了操作人员的工作环境 当然就精度和切口表面粗糙度而言 CO2 激光切割不可能超过电加工 就切割厚度而言难以达到火焰和等离子切割的水平 但是就以上显著的 优点足以证明 CO2 激光切割已经和正在取代一部分传统的切割工艺方法 特别是各种非金属材料的切割 它是发展迅速 应用日益广泛的一种先进加工方法 4 非接触式切割 激光切割时割炬与工件无接触 不存在工具的磨损 加工不同形状的零件 不 需要更换 刀具 只需改变激光器的输出参数 激光切割过程噪声低 振动小 无污染 5 切割材料的种类多 与氧乙炔切割和等离子切割比较 激光切割材料的种类多 包括金属 非 金属 金属基和非金属基复合材料 皮革 木材及纤维等 但是对于不同的材料 由于自身的热物理性 能及对激光的吸收率不同 表现出不同的激光切割适应性 4 4 影响切割质量的因素影响切割质量的因素 1 1 切割速度对切割质量的影响 切割速度对切割质量的影响 对给定的激光功率密度和材料 切割速度符合于一个经验式 只要在通阈值以上 材料的切割速度 与激光功率密度成正比 即增加功率密度可提高切割速度 这里所指的功率密度不但与激光输出功率有 关 而且与光束质量模式有关 另外 光束聚焦系统的特征 即聚焦后的光斑大小也对激光切割有很大 的影响 切割速度与被切割材料的密度 比重 和厚度成反比 对金属材料而言 在其他工艺变量保持恒定的情况下 激光切割速度可以有一个相对调节范围而仍 能保持较满意的切割质量 这种调节范围在切割薄金属时显得比厚件稍宽 有时 切割速度偏慢也会导 致排出热融材料烧蚀口表面 使切面很粗糙 2 2 焦点位置调整对切割质量的影响 焦点位置调整对切割质量的影响 由于激光功率密度对切割速度影响很大 透镜焦长的选择是个重要问题 激光束聚焦后光斑大小与 透镜焦长成正比 光束经短焦长透镜聚焦后光斑尺寸很小 焦点处功率密度很高 对材料切割很有利 但它的缺点是焦深很短 调节余量小 一般比较适用于高速切割薄型材料 由于长焦长透镜有较宽焦深 只要具有足够功率密度 比较适合切割厚工件 在确定使用何种焦长的透镜以后 焦点与工件表面的相对位置对保证切割质量尤为重要 由于焦点 处功率密度最高 大多数情况下 切割时焦点位置刚处在工件表面 或稍微在表面以下 在整个切割过 程中 确保焦点与工件相对位置恒定是获得稳定的切割质量的重要条件 有时 透镜工作中因冷却不善 而受热从而引起焦长变化 这就需要及时调整焦点位置 当焦点处于最佳位置时 割缝最小 效率最高 最佳切割速度可获得最佳切割结果 在大多数应用情况下 光束焦点调整到刚处于喷嘴下 喷嘴与工件表面间距一般为 1 5mm 左右 3 3 辅助气体压力对切割质量的影响 辅助气体压力对切割质量的影响 一般情况下 材料切割都需要使用辅助气体 问题主要牵涉到辅助气体的类型和压力 通常 辅助 气体与激光束同轴喷出 保护透镜免受污染并吹走切割区底部熔渣 对非金属材料和部分金属材料 使 用压缩空气或惰性气体 清除融化和蒸发材料 同时抑制切割区过度燃烧 对大多数金属激光切割则使用活性气体 只要是 O2 形成与炽热金属发生氧化放热反应 这部分附 加热量可提高切割速度 1 3 1 2 在确保辅助气体前提下 气体压力大小是个极为重要的因素 当高速切割薄型材料时 需要较高的 气体压力以防止切口背面粘渣 热粘渣到工件上还会损伤切边 当材料厚度增加或切割速度较慢时则气 体压力宜适当降低 为了防止塑料切边霜化 也以较低气体压力切割为好 激光切割实践表明 当辅助气体为 O2 时 它的纯度对切割质量有明显影响 O2 纯度降低 2 会降低 50 的切割速度 并导致切口质量显著变差 4 4 激光输出功率对切割质量的影响 激光输出功率对切割质量的影响 对连续波输出的激光器来说 激光功率大小和模式好坏都会对切割发生重要影响 实际操作时 常 常设置最大功率以获得较高的切割速度 或用以切割较厚材料 但光束模式 光束能量在横断面上的分 布 有时显得更加重要 而且 当提高输出功率时 模式常随之稍有变差 常可发现 在小于最大功率 状况下焦点处却获得最高功率密度 并获得最佳切割质量 在激光器整个有效工作寿命期间 模式并不 一致 光学元件的状况 激光工作混合气体细微的变化和流量波动 都会影响模式机构 综上所述 虽然影响激光切割的因素较为复杂 但切割速度 焦点位置 辅助气体压力和激光功率 及模式结构是 4 个最重要的变量 在切割过程中 如发现切割质量明显变差 就首先要检查以上讨论的 因素并及时加以调控 5 5 工件特性对切割质量的影响 工件特性对切割质量的影响 对激光切割质量甚至能否切割影响最大的有如下因素 材料表面反射率 对 CO2 激光器发射出的 10 6mm 远红外光束来说 非金属材料对它吸收较好 即具有高的吸收率 面 金属材料则对 10 6mm 光束吸收较差 特别是具有高反射率的金 银 铜和铝金属等 对这类材料一般不 适宜用 CO2 激光束 特别是连续波光束来切割 对铝 铜金属而言 要形成足够的起始功率一般需要 3kW 以上 以获得穿透效果所需要的初始小孔 黑色金属钢铁类材料及镍 钛等对 10 6mm 的 CO2 光束有一定吸收率 特别是当材料表面加热到一定 温度或氧化膜以后 其吸收率还会大幅度提高 从而获得较好的切割效果 对不透明材料 吸收率 1 反射率 与材料表面状态 温度及波长有关 材料对光束的吸收率大小在加热起始阶段具有重要作用 但一旦工件内部小孔形成 小孔的黑体效 应使材料对光束的吸收率接近 100 材料表面状态 材料的表面状态直接影响对光束的吸收 尤其是表面粗糙度和表面氧化层会造成表面吸收率的明显 变化 在激光切割实践中 有时可利用材料表面状态对光束吸收率的影响来改善材料的切割性能 6 6 其他因素对切割质量的影响 其他因素对切割质量的影响 割炬和喷嘴的影响 割炬的设计和制造对获得良好切割质量产生着重要影响 特别是喷嘴 喷嘴如选用不当或维护不善易造成污染或损伤 或者由于喷嘴口的圆度不好或因热金属飞溅引起局 部堵塞 都会在喷嘴中形成涡流 导致切割性能明显变差 有时 喷嘴口与聚焦光束不同轴 形成光束 剪切喷嘴边缘 也会影响切边质量 增加切缝宽度和使切割尺寸错位 对喷嘴来说 要特别注意两个问题 喷嘴直径的影响 喷嘴口大小对切割速度有一定的影响 喷嘴口大小也影响出口处压力分布 喷嘴直径增加 由于喷气流对切割区母材的强烈冷却作用使热影响区变窄 但也会导致切缝过宽 而喷 嘴大小会引起准直困难 喷嘴口有被光束削截的危险 而且 切缝过窄 在高的切割速度下会阻碍熔渣 的顺利排出 喷嘴与工件表面间距的影响 喷嘴与工件间距直接影响喷嘴气流与工件切缝的耦合 喷嘴口太 靠近工件表面 对透镜会产生强烈的返回压力 减弱了对溅散切割产物质点的驱散能力 对切割质量有 不利影响 但距离太远又会造成不必要的动能损失 对有效切割也不利 一般 喷口与工件间距控制在 1 2mm 为宜 现代激光切割系统的割炬都配有电感或电容式传感器反馈装置 以自动调节两者距离在预 先设定的高度范围内 外光路系统的影响 激光器射出的原始光束是经过外光路系统的传输 包括反射和透射 以极高的功率密度准确地照射 到工件的表面 外光路系统的光学元件应定期检查 及时调整 确保当切割炬在工件上方运行时 光束正确地传输 到透镜中心并聚焦成很小的光点 对工件进行高质量切割 一旦其中任何一光学元件位置发生变化或受 到污染 都会影响切割质量 甚至造成切割不能进行 外光路镜片受到气流中杂质污染和切割区飞溅质点粘结 或者镜片冷却不足 都会使镜片发生过热 影响光束能量传输 引起光路准直度飘移而导致严重后果 透镜过热还会产生焦点失真 甚至危及透镜 本身 光学元件一旦受到污染甚至粘上切割产物小质点 对它的清理是个极为重要而往往会被忽视的问题 下面列出一些清洗要点 透镜的清洗 把擦镜头纸弯成几折 用几滴分析纯丙酮浸湿 用浸湿的镜头纸轻轻擦拭镜头表 面 注意不能用手指压镜片 反复几次 直到镜片表面清洁 没有污垢和残存痕迹留在镜面 用干空气 吹干 必要时可把用几滴丙酮弄湿的镜头纸卷成杆 轻轻地擦洗镜片表面 以去除重污滴 要注意的是丙酮易从空气中吸收潮气和水分污染丙酮本身 所以要盖紧丙酮瓶 千万不要将清洗后 剩下的丙酮液倒回到新的丙酮瓶中 反射镜镜片的清洗 从镜架上拆除镜片 镜面朝上 把镜头纸放在镜面上 在镜头纸上滴几滴 丙酮 并轻拉镜头纸撩过镜面 反复上述工序 直至镜面清洁 无污秽和残渍留在镜面 再把镜片装入 镜座 如果采用钼镜作反射镜 因为它不能镀层 抛光后即可直接使用 所以它可用水 肥皂水或含洗洁 精的水 清洗镜面 但其他表面有镀层的镜片不能用水清洗 因为很多镀层溶解于水 镜片将遭破坏 5 碳钢氧气切割碳钢氧气切割 現現 象象原原 因因解決方法解決方法 没有毛刺 切割良好 功率正确 切割速度正确 切痕方向在底部偏离 切割底部较宽 切割速度太高 激光功率偏低 辅助气体偏低 焦点位置偏高 降低切割速度 提高激光功率 提高气体压力 降低焦点位置 切缝底部两侧有类似熔渣的毛刺 水珠形 状 容易去除 切割速度偏高 气压偏低 焦点位置偏高 调整切割速度 提高气体压力 割缝底部两侧的熔渣粘在一起 焦点位置偏高 降低焦点位置 割缝底部的两侧的熔渣很难清除切割速度太高 辅助压力偏低 焦点位置偏高 气体内有杂质 降低速度 提高气体压力 调整焦点位置 使用符合纯度要求的气体 現 象 原 因解決方法 仅在割缝底部的一侧有毛刺 喷嘴中心不好 喷嘴孔不圆 调整喷嘴中心 更换喷嘴 有蓝色的等离子气体产生 工件不能 割透 辅助气体间接错 切割速度太高 功率太低 使用需要的辅助气体 降低切割速度 提高功率 切割面不规则 气体压力偏高 喷嘴损坏 喷嘴直径太大 焦点位置 沒有毛刺 切痕向后傾斜 切縫底部窄 切割速度太高 降低切割速度 切割面上有蚀坑 气体压力太大 切割速度偏低 焦点位置较高 材料表面锈蚀 材料过热 材料中有杂质 降低气体压力 提高切割速度 降低焦点位置 使用好的材料 切割面十分粗糙 焦点位置偏低 气体压力较高 切割速度太低 材料过热 提高焦点位置 降低气体压力 提高切割速度 材料冷却 6 氮气切割不锈钢氮气切割不锈钢 现现 象象原原 因因解決方法解決方法 割缝两侧有小的规则的毛刺 焦点位置太低 切割速度太高 提高焦点位置 降低切割速度 割缝两侧有长线状 不规则的毛刺 切割速度太低 焦点位置太高 气体压力太低 材料太热 提高切割速度 降低焦点位置 提高气体压力 冷却材料 仅在割缝两边有长线形状不规则的毛刺 喷嘴不在中心 焦点位置太高 气体压力太低 切割速度太低 调整喷嘴 降低焦点位置 提高气体压力 提高切割速度 切割边呈黄色氮气不纯含有氧气使用高纯度氮气 有等离子气体产生 工件不能割透 切割速度太高 激光功率太低 焦点位置太低 降低切割速度 提高激光功率 提高焦点位置 光束中断 切割速度太高 激光功率太低 焦点位置太低 降低切割速度 提高激光功率 提高焦点位置 割缝粗糙 喷嘴损坏 镜片污染 更换喷嘴 清洁镜片或更换镜片 7 结论结论 激光由于其众多的优点 越来越受到人们的重视 因此大力发展激光产业 可以极大地带动我国的 生产力的进步 尤其是机械加工行业 伴随着我国加入 WTO 中国潜在的巨大市场已向国外敞开 国外激 光厂商纷纷把目光聚焦于中国市场 11 中国激光产业将经历一个嬗变的过程 我们必须采取切实有效 的措施促进本国激光产业的发展 所以我们必须作好以下几个方面的工作 1 加强核心技术的培育 2 加大人才的引进 3 疏通融资渠道 4 加强区域内同行业的联 盟 参考文献 参考文献 1 董锋 陆雅娟 激光切割工艺及设