激光切割工艺.ppt

激光工艺培训 一 激光切割机介绍1 定义 1 主要用于将板材切割成所需形状工件的激光加工机床 2 利用激光束的热能实现切割的设备 就是将激光束照射到工件表面时释放的能量来使工件融化并蒸发 以达到切割和雕刻的目的 具有精度高 切割快速 不局限于切割图案限制 自动排版节省材料 切口平滑 加工成本低等特点 将逐渐改进或取代于传统的切割工艺设备 2 激光切割机的主要组成 1 激光器按工作物质的种类可分为固体激光器 气体激光器 液体激光器和半导体激光器四大类 由于He Ne 氦 氖 气体激光器所产生的激光不仅容易控制 而且方向性 单色性及相干性都比较好 因而在机械制造的精密测量中被广泛采用 而在激光加工中则要求输出功率与能量大 目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石 钕玻璃 YAG 掺钕钇铝石榴石 等固体激光器 2 主机按切割柜与工作台相对移动的方式 可分为以下三种类型 1 在切割过程中 光束 由割炬射出 与工作台都移动 一般光束沿Y向移 工作台在X向移 2 在切割过程中 只有光束 割炬 移动 工作台不移动 3 在切割过程中 只有工作台移动 而光束 割炬 则固定不动 3 冷却系统 4 供气系统气源 瓶装气 压缩空气 空气压缩机 冷干机 过滤装置管路 5 电源三相电压稳定度 5 电源不平衡度2 5 6 控制系统导光聚焦系统根据被加工工件的性能要求 光束经放大 整形 聚焦后作用于加工部位 这种从激光器输出窗口到被加工工件之间的装置称为导光聚焦系统 激光加工系统激光加工系统主要包括床身 能够在三维坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等 随着电子技术的发展 许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动 实现激光加工的连续工作 3 加工原理 將数字信息送入专用的或通用的计算机 计算机对输入的信息进行处理和运算 发出各种指令來控制机床的伺服系統或其它执行元件 使机床自动加工出所需要的工件或产品 ByJin3015数控切割机的主要技术参数 1 切割区域 3048mmx1524mm 2 Z轴行程 70mm 3 机器精度 根据VDL DGQ3441 0 1mm m 4 重复精度 0 05mm 5 X Y轴最大定位速度 100m min 6 X Y轴最大联动定位速度 141m min 7 最大轴向加速度 8m S2 8 最大切割速度 50m min 9 机器自重 约12 000kg 10 颜色标准 NCSS0585 Y80R NCSS7020 R60B 11 工作台最大承重 750kg 3000X1500X20mm 12 交换切割台交换时间 约35秒机床精度VDL DGQ3441测量长度1m 切割精度与板材厚度和质量有关 二 激光切割方法 2 1激光熔化切割在激光熔化切割中 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 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 而气体本身不参于切割 最大切割速度随着激光功率的增加而增加 随着板材厚度的增加和材料熔化温度的增加而几乎反比例地减小 在激光功率一定的情况下 限制因数就是割缝处的气压和材料的热传导率 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 产生熔化但不到气化的激光功率密度 对于钢材料来说 在104W cm2 105W cm2之间 2 2激光火焰切割激光火焰切割与激光熔化切割的不同之处在于使用氧气作为切割气体 借助于氧气和加热后的金属之间的相互作用 产生化学反应使材料进一步加热 由于此效应 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可能切口质量更差 实际上它会生成更宽的割缝 明显的粗糙度 增加的热影响区和更差的边缘质量 激光火焰切割在加工精密模型和尖角时是不好的 有烧掉尖角的危险 可以使用脉冲模式的激光来限制热影响 所用的激光功率决定切割速度 在激光功率一定的情况下 限制因数就是氧气的供应和材料的热传导率 2 3激光气化切割在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 材料的厚度一定不要大大超过激光光束的直径 该加工因而只适合于应用在必须避免有熔化材料排除的情况下 该加工实际上只用于铁基合金很小的使用领域 在板材厚度一定的情况下 最大切割速度反比于材料的气化温度 所需激光功率密度要大于108W cm2 并且取决于材料 切割深度和光束焦点位置 在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的限制 激光切割示意图 激光切割的特点 1 几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工 2 激光能聚焦成极小的光斑 可进行微细和精密加工 如微细窄缝和微型孔的加工 3 可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点进行加工 4 加工时不需用刀具 属于非接触加工 无机械加工变形 5 无需加工工具和特殊环境 便于自动控制连续加工 加工效率高 加工变形和热变形小 激光切割技术 激光切割的几项关键技术是光 机 电一体化的综合技术 激光束的参数 机器与数控系统的性能和精度直接影响切割的效率和质量 焦点位置控制技术 激光切割的优点之一是光束的能量密度高 一般10W cm2 一般大功率CO2激光切割工业应用中广泛采用 127 190mm 的焦距 实际焦点光斑直径在0 1 0 4mm之间 激光穿孔技术 任何一种热切割技术 除少数情况可以从板边缘开始外 一般都需在板上穿一小孔 激光切割机有2种穿孔的基本方法 爆破穿孔法和脉冲穿孔法 喷嘴设计及气流控制技术 目前激光切割用喷嘴采用简单的结构 即一锥形孔带端部小圆孔 通常用实验和误差的方法进行设计 激光切割的工艺分析 激光切割是熔化与汽化相结合的过程 影响其切割质量的因素很多 除了机床 加工材料等硬件因素之外 其他软件因素也对其加工质量有很大的影响 根据实际切割中出现的问题 结合激光切割本身的特点 研究这些软件因素对加工质量的影响正是计算机辅助工艺设计的基本内容 具体包括以下几点 打孔点的选择 根据实际情况确定打孔点位置 辅助切割路径的设置 激光束半径补偿和空行程处理 通过板材优化排样来节省材料尽可能提高板材利用率 结合零件套排问题的路径选取 考虑热变形等加工因素影响后的路径 三 加工过程 加工过程 指激光光束 加工气体和工件之间的相互作用 3 1切割过程 该过程发生的区域是切割之前 作用在该切割之前的激光必须加热工件到把材料熔化和气化所需的温度 切割平面由一个几乎垂直的平面组成 该平面被吸收的激光辐射加热并熔化 在激光火焰切割中 该熔化区被进入割缝的氧气流进一步加热 达到接近沸点的温度 产生的气化把材料移走 同时 借助于加工气体 液化材料从工件下部排出 在激光熔化切割中 液化材料随气体排出 该气体也保护割缝以防氧化 连续的熔化区沿着切割方向逐渐滑移 因而得到一条连续割缝 激光切割过程的许多重要活动发生在该区域 对这些活动的分析可以得到激光切割的重要信息 这样 就可以计算切割速度并解释牵引线特性的形成 3 2材料特性 在工件上进行切割活动的结果可能是整洁的切口 或者相反 边缘粗糙或过烧 影响切割质量最重要的因数是 合金成份合金成份在一定程度上影响着材料的强度 比重 可焊接性 抗氧化能力和酸性 铁合金材料中的一些重要元素有 碳 铬 镍 镁和锌 碳含量越高 材料越难切 临界值认为是含碳0 8 以下型号碳钢用激光切割效果是很好的 Q235 StW22 低硅低碳铝镇静钢 材料的微观结构一般来说 组成材料的颗粒越细 切割边缘的质量越好 表面质量 表面粗糙度如果表面有生锈区域或氧化层 那么切割的轮廓将不规则并出现许多破损点 如果要切割波纹板 就选择最大厚度切割参数 表面处理最常用的表面处理有镀锌 聚焦镀锌 涂漆 阳极电镀或覆盖分层塑料胶片 用锌处理过的板材易于在边缘出现挂渣 对于涂漆的板材 切割质量依赖于所涂产品成份的组成 如何进行涂漆材料的加工 第一趟选择一组功率小 雕刻 的用于对处理表面作预烧打标的参数 第二趟选择一组用于材料切割的参数 有分层材料涂层的板材非常适合激光切割 为了使电容式探测无故障工作 让分层涂层得到最优粘合 避免产生浮泡 分层边必须总是在切割工件的上部 光束反射光束在工件表面如何反射取决于基本材料 表面粗糙度和处理 一些铝合金 铜 黄铜和不锈钢板材具有高反射率的特点 切割这些材料时 要特别注意调节好焦点位置 热传导率焊接时 低热传导率的材料 和高热传导率的材料相比 需要更小的功率 比如 对于铬镍合金钢 所需的功率要小于结构钢的 对加工产生的热的吸收也更少 另一方面 比如铜 铝和黄铜这些材料散失掉一大部分通过吸收激光产生的热 因为热从光束目标点处传导开了 所以热影响区的材料更难熔化了 热影响区激光火焰切割和激光熔化切割会导致切割材料边缘区域发生材料变异 当加工低碳钢或无氧钢时 热影响区的淬火减少了 对于高碳钢 60 会出现边缘区域变硬的现象 对于硬轧铝合金 热影响区甚至会比其余部分稍微软一些 熔点 热熔解 气化温度 3 3不同材料的可加工性 结构钢该材料用氧气切割时会得到较好的结果 使用CW模式激光 当加工非常小的曲线控制系统改变进给速率时 它通过调节使激光功率和轴进给速率相适应 当用氧气作为加工气体时 切割边缘会轻微氧化 对于厚度达4mm的板材 可以用氮气作为加工气体进行高压切割 这种情况下 切割边缘不会被氧化 复杂轮廓和小孔 直径小于材料厚度 应该用脉冲模式切割 这样可以避免切掉尖角 碳含量越高 切割边缘越易淬火 拐角越易过烧 合金含量高的板材比低的更难切割 氧化或喷砂处理过的表面会得到更差的切割质量 板材表面的余热对切割结果有负面影响 厚度在10mm以上的板材 对激光器使用特殊极板并且在加工中给工件表面涂油可以得到较好的效果 油膜减少熔渣粘到表面并极大地帮助切割 油膜不影响切割活动的效果 为了消除张力 只切割经二次处理过的钢板 沸腾条件下熔化钢铁中的不纯成份实际上对切割结果有很大影响 为了切割表面洁净的结构钢 须遵循以下提示 Si 0 04 首选 激光加工很好 Si0 25 不适合激光切割 可能会得到更差的或不一致的结果 注意 对于达到St52的钢铁 按照DIN标准的容许量为Si 0 55 该指标对于激光加工来说太不精确了 不锈钢切割不锈钢需要 使用氧气 在边缘氧化不要紧的情况下 使用氮气以得到无氧化无毛刺的边缘 就不需要再作处理了 用可能得到的高激光功率 同时采用高压氮气 比用氧气可能会得到相当的或更高的切割速度 为了用氮气切4mm以上的不锈钢 并且无毛刺 调节焦点位置是必要的 重新设焦点位置并降低速度 就可能得到洁净的切口 当然无法避免小毛刺 在板材表面涂层油膜会得到更好的穿孔效果 而不降低加工质量 对于不锈钢 请选择 氧气切割 对于5mm以上的厚板材 降低进给速度 激光采用脉冲模式 对于穿孔和切割采用同样的喷嘴高度 铝铝及其合金更适宜用连续模式切割 尽管有高反射率和热传导性 厚度6mm以下的铝材可以切割 这取决于合金类型和激光器能力 铝可以用氧切割或高压氮切割 当用氧切割时 切割表面粗糙而坚硬 只产生一点火焰 但却难以消除 用氮气时 切割表面平滑 当加工3mm以下的板材时 通过最优调整后可以得到事实上无毛刺的切口 对于更厚的板材 会产生难以去除的毛刺 纯铝因为其高纯非常难切割 合金含量越高 材料越易切割 建议 只有在系统上安装有 反射吸收 装置的时候才能切割铝材 否则反射会毁坏光学组件 3 4激光脉冲模式 1 连续切割也称为CW ContinuousWave 切割法 连续切割法是使振荡输出连续地发生从而进行切割的方法 在切割低碳钢时 是切割速度最高的方法 2 脉冲切割法是使振荡输出间断地发生从而进行切割的方法 脉冲切割法 通过将投入材料的热量降到最低限 能够进行切割质量以及尺寸精度良好的加工 进行脉冲切割时 要设定脉冲频率和脉冲占空比 所谓脉冲频率 是指在1秒钟内使激光光束ON OFF几次 用Hz 赫兹 表示 所谓脉冲占空比 是指每1脉冲 1回输出的ON和OFF 的激光光束震荡时间的比率 用 百分比 表示 3 简单点说 连续切割是优势在于速度 但切割质量不太好 由于对被切割材料连续的热量输入变成过度的热量输入 影响切割质量 尺寸精度 而脉冲切割切割质量好 但速度上要比连续切割慢 打个比方 用4000的发生器 CW切割12mm的低碳钢速度1800mm min 但脉冲只有1000mm min 越是薄的板这个差距越大 一般如果钢板的厚度超过16mm CW切割就不太适用了 选择切割方式的操作 一般是做程序时会选择 也可以在机器上面改变机器的参数来选择 3 5气体参数 气体参数包括 气体类型 气压 喷嘴直径和几何结构气压和喷嘴几何结构决定了边缘粗糙度和毛刺的生成 加工气体消耗取决于喷嘴直径和气压 关于加工气体的更多信息在 维修保养手册 气体控制 章节里 切割气压在5bar以下为低压 达20bar为高压 常用的切割喷嘴为锥体状的圆形口 保持喷嘴和工件表面之间的间距尽可能的小是必要的 距离越小 有效冲击割缝壁的气体质量就越高 经常使用0 5到1 5之间的间距 四 激光加工 4 1穿孔穿孔的参数值不同于切割的参数值 连续模式穿孔优点 快速穿孔 缺点 产生穿孔坑 脉冲模式穿孔优点 小的穿孔洞 缺点 耗时注意 板材厚度 mm 大约对应于穿孔时间 s 如果板材切掉的部分和剩余部分都要 就直接在轮廓上使用脉冲穿孔功能 4 2碳钢的起切和结束切穿孔通常用CW模式 该类型穿孔更快 但它产生一个比用脉冲穿孔更大的孔 由于此原因 起切穿孔的位置通常选在轮廓外边 穿孔和实际轮廓之间的切割长度称作起切部分 激光光束焦点在起切部分末端和轮廓之间的可能变化 通过工件上切口边缘的不平 是可以辨别出来的 用户必须尽可能地把起切部分设在几何单元一侧的理想伸展线上 在小表面内轮廓情况下 让穿孔过程中产生的热在开始切割之前散发掉非常重要 避免把穿孔设在狭窄的区域 而设成相对轮廓成大角度 这有利于热散发 起切长度取决于板材厚度和孔的直径 4 3拐角的加工 有半径的钝角的加工 在可能的地方 避免无半径的拐角 有半径拐角与无半径的相比有以下优点 轴移动的动态性能更好 热影响区减少 毛刺的产生更少最优倒圆半径 R最优 板材厚度 mm 除以10 但不小于1mm当内板材上要求无半径拐角时 最大半径 R边缘 切口宽度的一半有了这种光束 仍然可以产生无半径的拐角 而现在 轴动态地移动 在薄板上高速切割时 建议使用孔眼技术 这种解决方法有以下优点 轴以固定的方向变化经过尖角 工件本身以恒速切割 减少了拐角处的热影响 五 工艺试验 5 1脉冲模式切割对某些模型使用脉冲模式激光切割 1到6mm厚的板材 切割速率大约比CW模式低60 1到6mm厚的板材更适合脉冲切割 另一方面 8到12mm的板材用脉冲模式更难加工 不要用脉冲模式切割内部工件 5 2无氧化切割不锈钢对于孔和其它剪切块 推荐把从起切到加工轮廓的过渡块设为适当的圆弧 5 3无氧化切割木材和铝孔的起切起切的长度取决于板材厚度和孔的直径 5 4评估切口 六 注意事项 为了达到最佳加工质量 请遵守以下指示 精密调整机床 按照维护计划进行维护 遵照上述要求加工 工件表面无铁锈或氧化皮 酸洗过的或平滑的 参数与材料和板材规格匹配 预设互相关联的参数 当注意到加工质量降低时 检查以下因数 参数加工头光束路径激光器参数不要修改机床购买时设置的标准参数 为优化过的参数创建一个新的目录 如果加工质量恶化了 就检查看存在机器上的标准参数相对优化的参数是否已经有了实质性的改变 材料表面质量会严重影响激光切割质量 原材料必须做好防锈 防脏防护 在有锈蚀 表面油漆 脏 表面不平整等情况下 材料需进行处理后 才可以激光切割机上切割 操作员遵守下列原则 可以获得最佳的切割质量 根据材料厚度 材质使用标准的切割参数 当切割质量下降时 参照标准切割参数进行调整 调整的主要参数有激光功率 气体压力 焦点位置 切割速度 操作员不要改写随机的标准参数文件 但应建立自己的参数文件和参数文件目录 不断总结经验 通常用连续模式穿孔 速度快 但是比脉冲穿孔大 如果切割工件和剩余料都要利用时 可在图形轮廓上脉冲穿孔 激光工作模式有连续模式 脉冲模式 调制模式 连续模式应用于正常切割 脉冲模式应用于加工小于材料厚度的小孔及穿孔 调制模式应用于切割小尖角 避免尖角部位不会过烧 下小料时切割前穿孔后的散热非常重要 避免让切入线和工件狭小部位相连 要和图形有足够的夹角 会利于散热 激光切割机最大切割板材的尺寸为3000 1500 激光切割机最大切割能力为碳钢20mm 不锈钢12mm 铝合金8mm 切割最小孔的直径为一倍板厚 切割6mm以上的厚板 表面应涂油或喷油切割 油膜可避免穿孔时材料飞溅 利于切割 激光气体和切割气体的等级应满足下列标准才能正常切割 各种气体的输出压力应保证在下列范围内 激光气体均大于等于5bar 切割气体中 氧气的输出压力应小于等于15bar 氮气的输出压力应小于等于30bar 更换气体时 应严格按照 激光切割机操作规程 中的步骤进行 不可将气体混合使用 定期观察激光发生器变频空调管道是否有水