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激光切割在金属钣金加工中的应用
钣金车间传统加工方式包括剪板、冲裁和折弯等工艺流程。其中冲裁工艺需要大量的模具,具有少切削及无切削工艺特征。在一个产品加工时一般会配备几十套模具,甚至有的产品可能需要上百套模具。从经济角度上看,配备大量的模具,产品的成本相应增加,造成资金浪费。为适应现代钣金加工,降低生产成本和提高加工工艺,激光加工技术便应运而生。
激光切割机的分类
根据激光发生器的不同,目前市面上大致可分为三种激光切割机:CO2激光切割机、YAG(固体)激光切割机、光纤激光切割机。

CO2激光切割机
CO2激光切割机在光束出口处装有喷吹氧气、压缩空气或惰性气体N2的喷嘴,用来提高切割速度和保证切口的平整光洁。为了提高电源的稳定性和寿命,CO2气体激光要解决大功率激光器的放电稳定性。根据国际安全标准,激光危害等级分4级,CO2激光属于危害最小的一级。
YAG(固体)激光切割机
YAG固体激光切割机具有价格低、稳定性好的特点,但能量效率一般低于3%。目前产品的输出功率大多在800W以下,由于输出能量小,主要用于打孔和点焊及薄板切割。它的绿色激光束可在脉冲或连续波的情况下应用,具有波长短、聚光性好特点,适于精密加工特别是在脉冲下进行孔加工的情况,也可用于切削、焊接和光刻等。YAG固体激光切割机激光器的波长不易被非金属吸收,故不能切割非金属材料,且YAG固体激光切割机需要提高电源稳定性和寿命。需要研制大容量、长寿命光泵激励光源,采用半导体光泵可使能量效率大幅度增长。
光纤激光切割机
光纤激光切割机可以通过光纤传输,柔性化程度空前提高,故障点少、维护方便、速度快,在切割4mm以内薄板时具有很大优势,但是受固体激光波长的影响,其在切割厚板时质量较差。光纤激光器切割机波长为1.06μm,不易被非金属吸收,故不能切割非金属材料。光纤激光的光电转化率高达25%以上,在电费消耗、配套冷却系统参数等方面光纤激光优势相当明显。根据国际安全标准,光纤激光由于波长短,对眼睛伤害很大,属于危害最大的一级。出于安全考虑,光纤激光加工需要在全封闭的环境进行。光纤激光切割机作为一种新兴激光技术,普及程度远远不如CO2激光切割机。
激光熔化切割
⑴激光熔化切割中,工件被局部熔化后借助气流把熔化的材料喷射出去。因为材料的转移只发生在其液态情况下,所以该过程被称作激光熔化切割。
⑵激光光束配上高纯惰性切割气体促使熔化的材料离开割缝,气体本身不参与切割。
⑶激光熔化切割可以得到比气化切割更高的切割速度。气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最大切割速度随着激光功率的增加而增加,随着板材厚度增加和材料熔化温度增加而成反比例地减小。在激光功率一定的情况下,限制因素是割缝处的气压和材料的热传导率。
⑸激光熔化切割对于铁制材料和钛金属可以得到无氧化切口。对于钢材料来说,会产生熔化但不到气化的激光功率密度,激光功率密度在104W/cm2~105W/cm2之间。
激光火焰切割
激光火焰切割与激光熔化切割不同之处在于其使用氧气作为切割气体。借助于氧气和加热后金属之间的相互作用,发生化学反应使材料进一步加热。对于相同厚度的结构钢,采用该方法可得到的切割速率比熔化切割要高。
另一方面,该方法和熔化切割相比切口质量更差。实际上生成了更宽的割缝、明显的粗糙度、增加热影响区区域和更差的边缘质量。
⑴激光火焰切割在加工精密模型和尖角时是有缺陷的(有烧掉尖角的危险)。可以使用脉冲模式激光限制热影响区。
⑵所用的激光功率决定切割速度。在激光功率一定的情况下,限制因素是氧气的供应和材料的热传导率。
激光气化切割
激光气化切割过程中,材料在割缝处发生气化,此情况下需要非常高的激光功率。为了防止材料蒸气冷凝到割缝壁上,材料厚度一定不要大大超过激光光束直径,该加工因而只适合用在没有熔化材料排出的情况下。该加工实际上只用于铁基合金很小的使用领域。
该加工不能用于木材和某些陶瓷,这些材料通常要达到更厚的切口。
⑴激光气化切割中,最优光束聚焦取决于材料厚度和光束质量。
⑵激光功率和气化热对最优焦点位置有一定的影响。
⑶板材厚度一定的情况下,最大切割速度反比于材料气化温度。
⑷所需激光功率密度大于108W/cm2,取决于材料、切割深度和光束焦点位置。
⑸板材厚度一定的情况下。假设有足够的激光功率,最大切割速度受到气体射流速度限制。
随着激光切割机的应用,钣金加工工艺得到了飞速发展,并给钣金制作加工带来了革命性理念。激光切割工艺以及激光切割机设备正在被广大板材加工企业所熟悉接受。
激光加工技术在钣金加工工艺中具有很重要的位置,提高了钣金工艺劳动生产率,推动了钣金工艺的发展。激光切割机柔性化程度高,可以大大地缩减加工周期,切割速度快,出产效率高,提高加工精度,加快产品的开发速度,这些优点被众多制造企业关注。
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