激光切割技术

《先进制造技术》课程论文——激光切割板材表面质量研究摘要：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：激光切割；影响因素；焦点；气压；速度；功率TheplatesurfacequalityresearchofthelasercuttingAbstract:Fromtheprincipleandadvantagesoflasercutting,surfacequalityofthecontentanditsinfluencingfactorsandthesurfacequalityofthelasercuttingplateresearchprogressweresummarized,andfinallyillustratesbyadjustingthevariousfactorsaffectingthewaytoimprovecuttingquality.Keywords:Lasercutting.Influencingfactors;Thefocus;Airpressure;Speed;power1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12.5~25μm），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影响切割质量的因素（1）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）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）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。<2>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碳钢氧气切割現象原因解決方法没有毛刺，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氮气切割不锈钢现象原因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：[1]董锋,陆雅娟.激光切割工艺及设备[J].CAD/CAM与制造业信息化,2003,(04).[2]江海河.激光加工技术应用的发展及展望[J]光电子技术与信息,2001,(04).[3]胡兴军,刘向阳.激光切割的基本原理及新进展[J].苏南科技开发,2004,(11).[4]朱秀芹.激光切割技术在生产中的推广应用[J]衡器,2003,(01).[5]郝喜海，吴若梅，张继红.激光切割技术在机械制造中的应用及发展[J]机械制造,1999,(08).[6]胡兴军,刘向阳.激光切割的基本原理及新进展[J].苏南科技开发,2004,(11).[7]陈树明.激光切割技术现状及发展[J].锻压机械,2002,(02).[8]高允贵.金属的激光切割[J].光电子技术与信息,1996,(03).[9]大舟.激光切割成功的应用[J].光机电信息,1995,(05).[10]唐元冀.激光切割在工业上应用的现状[J].激光与光电子学进展,2002,(01).[11]邓树森．中国激光加工产业现状[N]．激光集锦．2003：13(4)：16—20．[12]刘红山，许兰峰激光二维切割工艺的优化[J]洪都科技，2003(1)：16—20[13]唐元冀．激光切割在工业上应用的现状[J]激光与光电子进展，2002，