激光切割原理是什么,如何选购激光切割机?

来自Wenbanzhu
跳转至: 导航搜索

待解问题.png 问题

激光切割原理是什么,如何选购激光切割机?.jpg
--Eva 2010年4月16日 (五) 11:46 (CST)

问题具体描述:激光切割原理是什么,如何选购激光切割机,要注意哪些问题?


最新回答.png 回答

激光切割原理与方法分类

激光切割的原理: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。

激光切割的方法:可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。

  1. 激光汽化切割。利用高能量密度的激光束加热工件,使温度迅速上升,在非常短的时间内达到材料的沸点,材料开始汽化,形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大,在蒸气喷出的同时,在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大,所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料(如纸、布、木材、塑料和橡皮等)的切割。
  2. 激光熔化切割。激光熔化切割时,用激光加热使金属材料熔化,然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体(Ar、He、N等),依靠气体的强大压力使液态金属排出,形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化,所需能量只有汽化切割的1/10。激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割,如不锈钢、钛、铝及其合金等。
  3. 激光氧气切割。激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。它是用激光作为预热热源,用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用,发生氧化反应,放出大量的氧化热;另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出,在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热,所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2,而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。
  4. 激光划片与控制断裂。激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描,使材料受热蒸发出一条小槽,然后施加一定的压力,脆性材料就会沿小槽处裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布,在脆性材料中产生局部热应力,使材料沿小槽断开。

激光切割的特点:激光切割与其他热切割方法相比较,特点是切割速度快、质量高。

  1. 切割质量好。由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快,因此激光切割能够获得较好的切割质量。
    • 激光切割切口细窄,切缝两边平行并且与表面垂直,切割零件的尺寸精度可达±0.05mm。
    • 切割表面光洁美观,表面粗糙度只有几十微米,甚至激光切割可以作为最后一道工序,无需机械加工,零部件可直接使用。
    • 材料经过激光切割后,热影响区宽度很小,切缝附近材料的性能也几乎不受影响,并且工件变形小,切割精度高,切缝的几何形状好,切缝横截面形状呈现较为规则的长方形。激光切割、氧乙炔切割和等离子切割方法的比较见表1,切割材料为6.2mm厚的低碳钢板。
  2. 切割效率高。由于激光的传输特性,激光切割机上一般配有多台数控工作台,整个切割过程可以全部实现数控。操作时,只需改变数控程序,就可适用不同形状零件的切割,既可进行二维切割,又可实现三维切割。
  3. 切割速度快。用功率为1200W的激光切割2mm厚的低碳钢板,切割速度可达600cm/min;切割 5mm厚的聚丙烯树脂板,切割速度可达1200cm/min。材料在激光切割时不需要装夹固定,既可节省工装夹具,又节省了上、下料的辅助时间。
  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。采用CO2激光器,各种材料的激光切割性能见表2。

选购激光切割机要注意

得到“高质量”切口的关键因素包括:切口的宽度(切割处材料的损耗),切口表面的氧化和粗糙程度,以及所容许的尺寸误差。专家进行切割操作的关键因素包括:切割速度,操作的灵活性,容许公差,以及生产和启动过程的简便性。因此,选择激光切割机要以能实现以上标准为标准。

激光功率

事实上,并不是激光功率越大零件加工速度就越快,还有其他因素会影响切割速度的提高。激光谐振腔的类型就会影响整个系统的切割速度和成本效益。激光功率的提高和光束质量的改善扩大了激光应用的范围。大部分激光系统的功率高于2KW,而且现在已有功率大于7kW的系统可供使用。提高功率不一定就带来切割速度的提高。在热切割的过程中,功率超过3或者4KW时,可能扩大材料的热影响区域,从而就对驱动系统要求更高,因此限制了切割速度。

对于某些材料来说,光束质量对切割速度的影响并不亚于激光功率。CO2激光器根据谐振腔的不同可以有各种不同的类型:快速轴流激光器,横流激光器,扩散冷却激光器(或板条激光器)。每种谐振腔类型得到不同的光束质量和焦斑直径,以及不同的激光功率。扩散冷却激光器的光束质量可能比较好,但是总功率受到限制。快速轴流和横流型激光器可以产生功率在6-7KW的激光,但是光束质量在4kW以上就可能开始下降。

金属加工的考虑

更高的激光功率主要有助于增加可加工材料的厚度。对于氧气作为辅助气体的碳素钢切割来说,随着功率的提高,进料速度并没有实质性的增加。由于热反应过程的存在,功率/进料率存在着一个上限,对应这个最大值,可以切割一定厚度的材料。作用在材料上功率的提高并不能自动转变为材料加工速度的提高。

使用高压氮作为辅助气体对厚不锈钢板进行切割可以得到无氧化切口。比如,6.0kWCO2激光器可以加工厚度达11/4英寸的不锈钢。在高压或者惰性气体切割过程中,辅助气体的主要功能是保护切口边缘不至于形成氧化,并且将熔融的物质很快的吹干净,从而避免它们粘在边缘而形成毛边。

因为提高切割功率会导致成本提高,所以如果能够带来更多经济效益的话,那么提高功率也是可行的。目前,大部分需加工的金属薄板厚度达6 mm,使用的是功率为3.5 kW的激光进行加工,当加工速度需要提高时,在保证光束质量的情况下可以提高激光功率。电动轿车配件 吊坠 迅雷看看 无缝钢管 聊城网站优化 激光雕刻机耳环吊坠 流体管 纯银耳坠若需要加工更厚的材料, 则可以使用高功率的激光器以更快的速度进行切割。考虑到投资成本和与激光器有关的运转费用增加可能带来的劣势,必须准确估计速度提高所带来的优势。在速度提高的情况下,如果没有增加额外功率的话将很难实现。

气体辅助激光切割

需要使用辅助气体进行激光切割是因为,聚焦光束在焦点附近所产生了熔融金属,使用气体压力可以从切割区域把熔融的金属吹走。这种方法在加工低铝钢时效果最好,当加热温度高于燃点时,该加工过程从材料的热反应过程中吸收额外能量。这样,使用辅助气体时,激光功率将更低,称为激光熔融切割。使用氧气作为辅助气体来切割碳素钢可用来加工厚度达40mm的材料。

碳素钢的二维切割主要使用的是CO2激光器,因为它能够得到最佳的成本效益,对1mm厚的金属其切割速度为10m/min,6mm厚的为3m/min,15mm厚的为1m/min。

在厚碳钢板加工中,氧气的主要作用是辅助钢板的锻烧过程。此外,它也有助于清除熔融的材料。通常来说,辅助气体的压强和体积都很小。例如,通常6-8 PSI的氧气可以加工1 5/8英寸厚的钢板。氧气的气压太大的话容易带来燃烧过程的不可控性。一旦燃烧过程开始,只需要很少的氧气就能维持该过程。然而,熔化的材料必须通过辅助气体的流动来清理。如果使用标准的喷嘴,辅助气体管道内的冲击波会导致切口边缘有条纹和沟槽。而使用环形流喷嘴可以避免这个问题。

高压惰性气体辅助切割过程 当切割高合金钢和合金铝时,通常使用惰性气体(氮气,氩气)作为辅助切割的气体,这样,切割过程就仅取决于激光光束的能量。所以,激光功率会比使用氧气作为辅助气体时更大。高压切割过程并不会对切口产生氧化的效果,这对于切割后将进行焊接的情况来说很重要。目前在工业领域,激光熔融切割被用于厚度达25mm的材料加工。对于1 mm厚的材料来说,典型的切割速度是,达8m/min,对3mm厚的材料来说,速度为4.5m/min,对于8mm厚的材料来说,速度为1.5m/min。

在这些应用中,高压氮作为辅助气体被用来隔绝切口与外界氧气的接触,并且从切口处把熔融的材料快速的吹干净。切割不锈钢时,辅助气体压强范围从300 到400 PSI。更薄的不锈钢可以使用低压强气体,范围为100-200 PSI。

辅助气体成本

有很多方法可以提供氧气和氮气。实际上氧气和氮气的单位成本是很类似的。使用氮气来作为辅助气体时花费更大,因为切割过程消耗了更多的气体,但是,它可以得到“干净的切口”,而不用二次加工来进行修整。通过选择不同的供气方式,气体成本可以得到降低;高压气缸的单位成本比其他各种不同的供气系统要来的贵。而且气缸供气还需要租金,使用的气体存储体积越大,租金越高。

一些应用中,空气(氧-氮混合气体)也可以用来作为辅助气体。压缩空气是现有的CO2激光切割设备运转过程的一部分。在传输光束的过程中,空气起到净化光束的作用,它防止外部污染物进入密闭的光路中。用于净化光束的空气还可以保证光学元件的清洁度,从而延长光学元件的寿命。空气还与气阀,气缸,传动装置相连,可以发挥气动开关,光束衰减和装夹的作用。某些材料可以被切割得更快。在这些实例中,空气必须是干净,干燥且经过滤的。对于空气辅助切割来说,可切割材料有厚度上的限制。通常是3 mm或者更薄,而且,空气辅助切割会稍微在切口表面留下氧化痕迹。虽然比氧气或氮气要便宜,但是空气的供给还是需要用电力来实现所需的气体压强和体积。

不论选择何种气体,这方面的成本通常是小于总成本的10%。空气是最便宜的,但是使用的范围很有限,氮气是最贵的,但是可以产生干净的切口而不需要二次加工。

明星版主.png 版主: 本页回答由版主“Eva”负责,您可以查看Eva介绍和编辑或者给Eva留言


分类浏览.png 分类激光|切割|原理|是什么|如何|激光切割机|产品|技术

讨论.png 讨论

关于“激光切割原理是什么,如何选购激光切割机?”的留言:

新增留言 氮氣氣體成本

--180.217.5.85 (IP 位置 | 谁是 | 贡献) 2016年10月24日 (一) 13:47 (CST)

留言:如切1.5mm不鏽鋼, 氣體壓力8-12 kg, 這樣氮氣的耗氣費用如何計算?

     可用普通的氮氣產生器嗎?

新增相关留言