激光切割在金屬鈑金加工中的應用

激光技術 | 2018-09-26 17:27

鈑金車間傳統加工方式包括剪板、沖裁和折彎等工藝流程。其中沖裁工藝需要大量的模具,具有少切削及無切削工藝特征。在一個產品加工時一般會配備幾十套模具,甚至有的產品可能需要上百套模具。從經濟角度上看,配備大量的模具,產品的成本相應增加,造成資金浪費。為適應現代鈑金加工,降低生產成本和提高加工工藝,激光加工技術便應運而生。

激光切割機的分類

根據激光發生器的不同,目前市面上大致可分為三種激光切割機:CO2激光切割機、YAG(固體)激光切割機、光纖激光切割機。

CO2激光切割機

CO2激光切割機在光束出口處裝有噴吹氧氣、壓縮空氣或惰性氣體N2的噴嘴,用來提高切割速度和保證切口的平整光潔。為了提高電源的穩定性和壽命,CO2氣體激光要解決大功率激光器的放電穩定性。根據國際安全標準,激光危害等級分4級,CO2激光屬于危害最小的一級。

YAG(固體)激光切割機

YAG固體激光切割機具有價格低、穩定性好的特點,但能量效率一般低于3%。目前產品的輸出功率大多在800W以下,由于輸出能量小,主要用于打孔和點焊及薄板切割。它的綠色激光束可在脈沖或連續波的情況下應用,具有波長短、聚光性好特點,適于精密加工特別是在脈沖下進行孔加工的情況,也可用于切削、焊接和光刻等。YAG固體激光切割機激光器的波長不易被非金屬吸收,故不能切割非金屬材料,且YAG固體激光切割機需要提高電源穩定性和壽命。需要研制大容量、長壽命光泵激勵光源,采用半導體光泵可使能量效率大幅度增長。

光纖激光切割機

光纖激光切割機可以通過光纖傳輸,柔性化程度空前提高,故障點少、維護方便、速度快,在切割4mm以內薄板時具有很大優勢,但是受固體激光波長的影響,其在切割厚板時質量較差。光纖激光器切割機波長為1.06μm,不易被非金屬吸收,故不能切割非金屬材料。光纖激光的光電轉化率高達25%以上,在電費消耗、配套冷卻系統參數等方面光纖激光優勢相當明顯。根據國際安全標準,光纖激光由于波長短,對眼睛傷害很大,屬于危害最大的一級。出于安全考慮,光纖激光加工需要在全封閉的環境進行。光纖激光切割機作為一種新興激光技術,普及程度遠遠不如CO2激光切割機。

激光切割方式

激光熔化切割

⑴激光熔化切割中,工件被局部熔化后借助氣流把熔化的材料噴射出去。因為材料的轉移只發生在其液態情況下,所以該過程被稱作激光熔化切割。

⑵激光光束配上高純惰性切割氣體促使熔化的材料離開割縫,氣體本身不參與切割。

⑶激光熔化切割可以得到比氣化切割更高的切割速度。氣化所需的能量通常高于把材料熔化所需的能量。在激光熔化切割中,激光光束只被部分吸收。

⑷最大切割速度隨著激光功率的增加而增加,隨著板材厚度增加和材料熔化溫度增加而成反比例地減小。在激光功率一定的情況下,限制因素是割縫處的氣壓和材料的熱傳導率。

⑸激光熔化切割對于鐵制材料和鈦金屬可以得到無氧化切口。對于鋼材料來說,會產生熔化但不到氣化的激光功率密度,激光功率密度在104W/cm2~105W/cm2之間。

激光火焰切割

激光火焰切割與激光熔化切割不同之處在于其使用氧氣作為切割氣體。借助于氧氣和加熱后金屬之間的相互作用,發生化學反應使材料進一步加熱。對于相同厚度的結構鋼,采用該方法可得到的切割速率比熔化切割要高。

另一方面,該方法和熔化切割相比切口質量更差。實際上生成了更寬的割縫、明顯的粗糙度、增加熱影響區區域和更差的邊緣質量。

⑴激光火焰切割在加工精密模型和尖角時是有缺陷的(有燒掉尖角的危險)??梢允褂妹}沖模式激光限制熱影響區。

⑵所用的激光功率決定切割速度。在激光功率一定的情況下,限制因素是氧氣的供應和材料的熱傳導率。

激光氣化切割

激光氣化切割過程中,材料在割縫處發生氣化,此情況下需要非常高的激光功率。為了防止材料蒸氣冷凝到割縫壁上,材料厚度一定不要大大超過激光光束直徑,該加工因而只適合用在沒有熔化材料排出的情況下。該加工實際上只用于鐵基合金很小的使用領域。

該加工不能用于木材和某些陶瓷,這些材料通常要達到更厚的切口。

⑴激光氣化切割中,最優光束聚焦取決于材料厚度和光束質量。

⑵激光功率和氣化熱對最優焦點位置有一定的影響。

⑶板材厚度一定的情況下,最大切割速度反比于材料氣化溫度。

⑷所需激光功率密度大于108W/cm2,取決于材料、切割深度和光束焦點位置。

⑸板材厚度一定的情況下。假設有足夠的激光功率,最大切割速度受到氣體射流速度限制。

隨著激光切割機的應用,鈑金加工工藝得到了飛速發展,并給鈑金制作加工帶來了革命性理念。激光切割工藝以及激光切割機設備正在被廣大板材加工企業所熟悉接受。