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激光切割在金属钣金加工中的运用

2018-9-25 10:55:27点击:

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。

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,并以其加工效率高、加工精度高、切割断面质量好、可进行三维切割加工等诸多优势逐步取代传统钣金切割设备(以数控设备为主,包括剪床、冲床、火焰切割、等离子切割、高压水切割等传统的板材加工设备)。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。

激光切割机是将激光器发射出的激光,经光路系统,聚焦成高功率密度的激光束。激光束照射到工件表面,使工件达到熔点或沸点,同时与光束同轴的高压气体将熔化或气化金属吹走。随着光束与工件相对位置的移动,最终使材料形成切缝,从而达到切割目的。激光切割加工是用不可见的光束代替了传统的机械刀,具有精度高、切割快速、不受切割图案限制、自动排版节省材料、切口平滑、加工成本低等特点,将逐渐改进或取代传统金属切割设备。激光刀头的机械部分与工件无接触,在工作中不会对工件表面造成划伤;激光切割速度快,切口光滑平整,一般无需后续加工;切割热影响区小,板材变形小,切缝窄(0.1~0.3mm);切口没有机械应力,无剪切毛刺;重复性好,不损伤材料表面,数控编程,可加工任意平面图,对幅面很大的整板切割,无需开发模具,经济省时。一般来讲,建议12mm以内的碳钢板、10mm以内的不锈钢板推荐使用激光切割机。激光切割机无切削力,加工无变形,无刀具磨损,材料适应性好。无论是简单还是复杂零件,都可以用激光一次精密快速成形切割。可实现切割自动排样、套料,提高了材料利用率,经济效益好。

激光切割机分类

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:可以稳定切割20mm以内的碳钢、10mm以内的不锈钢、8mm以下的铝合金。CO2激光器波长为10.6μm,比较容易被非金属吸收,可以高质量地切割木材、亚克力、PP、有机玻璃等非金属材料,但是CO2激光的光电转化率只有10%左右。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。

主要优点:功率大,一般功率都在2000~4000W之间,能切割25mm以内的全尺寸不锈钢、碳钢等常规材料、以及4mm以内铝板和60mm以内的亚克力板、木质材料板、PVC板,切割薄板时速度很快。另外由于CO2激光器输出的是连续激光,在切割时是三种激光切割机中切割断面最光滑的。

主要市场定位:6~25mm的中厚板切割加工,主要针对大中型企业以及部分纯对外激光切割加工企业。由于其激光器维护耗损大,主机耗电量大等无法克服因素,近年来受到光纤激光切割机的巨大冲击,市场处于明显萎缩状态。

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。

主要优点:能切割其他激光切割机无法切割的铝板、铜板以及大多数有色金属材料。机器采购价格便宜、使用成本低、维护简单,大部分关键技术已被国内企业所掌握。配件价格及维护成本低,且机器操作维护简单,对工人人员素质要求不高。

主要市场定位:8mm以下切割。主要针对自用型中小企业和加工要求不是特别高的大多数钣金制造、家电制造、厨具制造、装饰装潢、广告等行业用户,未来可能逐步取代线切割、数控冲床、水切割、小功率等离子等传统加工设备。

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。

主要优点:光电转换率高、电力消耗少、能切割12mm以内的不锈钢板、碳钢板,是这三种机器中切割薄板速度最快的激光切割机。割缝细小、光斑质量好,可用于精细切割。

主要市场定位:12mm以下切割,尤其是薄板的高精密加工。主要针对加工精度及效率要求极高的厂家。估计伴随着5000W及以上激光器的出现,光纤激光切割机最终会取代CO2大功率激光切割机的大部分市场。

激光切割方式

图1所示为激光切割的三种方式。

图1 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。

激光加工过程

加工过程指激光光束、加工气体和工件之间的相互作用。图2所示为加工参数。

图2 加工参数

切割过程

在进行切割之前,激光必须将工件加热到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,该平面吸收激光辐射加热并熔化。在激光火焰切割中,进入割缝的氧气流进一步加热熔化区,达到接近沸点温度,产生的气化把材料移走。同时借助加热气体,液化材料从工件下部排出。

激光熔化切割中,液化材料随气体排出,该气体保护割缝以防氧化。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,可以计算切割速度并解释牵引线特性的形成。

材料特性

在工件上进行切割的结果可能出现整洁的切口,或者相反,存在边缘粗糙或过烧情况。

影响切割质量最重要的因素有。

⑴合金成分。

合金成分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、镁和锌等。

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很好:St 37-2,StW 22,DIN 1.203。

⑵材料基本微观结构。

一般来说,组成材料的颗粒越细,切割边缘质量越好。

⑶表面质量和粗糙度。

如果表面有生锈区域或氧化层,切割的轮廓将不规则并出现许多破损点;要切割波纹板,就选择最大厚度切割参数。

⑷表面处理。

最常用的表面处理有镀锌、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的成分组成。

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。

⑸光束反射。

光束在工件表面如何反射取决于基本材料、表面粗糙度和处理方式。一些铝合金、铜、黄铜和不锈钢板材具有高反射率特点。切割这些材料时,要特别注意调节好焦点位置。

⑹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,加工产生的热吸收也更少。又比如铜、铝和黄铜这些材料焊接时会散失掉一大部分吸收激光产生的热,因为热从光束目标点处传导开了,所以热影响区的材料更加难熔化。

⑺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。关于热影响区域的范围与基本材料厚度之间的关系,表1列出了一些参考数值。

表1 材料厚度与热影响区域的关系

从表中可以了解:⑴加工低碳钢或无氧钢时,热影响区淬火现象减少了;⑵高碳钢(比如Ck60)会出现边缘区域变硬现象;⑶硬轧铝合金的热影响区会比其余部分稍微软一些。