激光切割工艺盘点及分类

机电帮 2018-07-03 17:38:10

近几年,激光切割机对钣金行业发展的作用日益凸显,一台技术先进、功能强大的激光切割机是光、机、电一体化的复杂系统,它实用的切割功能是实现高效率、高品质板材加工的重要保障,本文通过对激光切割功能的盘点,旨在让读者更深入地认识激光切割工艺,从而更好地应用到实际生产中来。

蛙跳

加工图1所示板材时,切割完孔1,接着切割孔2,切割头要从点A移动到点B,机器是“空”跑的,且切割头移动时要关闭激光,这个运动过程称为空程。蛙跳就是激光切割机的空程方式。

图1 空程

早期激光切割机空程运行时切割头的行走路径如图2所示,切割头要次第完成三个动作:上升(到足够安全的高度)、平动(到达点B的上方)、下降。

图2 切割头行走路径

压缩空程时间,可提高机器运行效率。如果将次第完成的三个动作,变为“同时”完成,可缩短空程时间,切割头从点A开始向点B移动的同时伴随上升动作,接近点B的同时增加下降动作,即切割头空程运动的轨迹,犹如青蛙跳跃所画出的一条弧线。

在激光切割机发展过程中,蛙跳称得上是一个突出的技术进步。蛙跳动作,只占用了从点A到点B平动的时间,省却了上升、下降的时间。如果激光切割机现在还不具备蛙跳功能,恐怕就不入流了。

自动调焦

切割不同材料时,要求激光束的焦点落在工件截面的不同位置,如图3所示。

因此需要调整焦点位置,即调焦。早期的激光切割机,一般采用手动调焦方式。如今,许多厂商的激光切割机都实现了自动调焦功能。

有人认为,只要改变切割头的高度,切割头升高,焦点位置就升高,切割头降低,焦点位置就降低。事实上,并没有这么简单。众所周知,切割头底部为喷嘴,在切割过程中,喷嘴与工件之间的距离(喷嘴高度)约0.5~1.5mm,是一个固定值,即喷嘴高度不变,所以不能通过升降切割头来调焦,否则无法完成切割加工。

聚焦镜的焦距是不可改变的,所以也不能通过改变焦距来调焦。改变聚焦镜的位置,则可改变焦点位置:聚焦镜下降,则焦点下降;聚焦镜上升,则焦点上升。这是自动调焦的一种方式,需要通过电机驱动聚焦镜作上下运动,以实现自动调焦功能。

另一种自动调焦的方法是:在光束进入聚焦镜之前,配置一个变曲率反射镜(或称可调镜),通过改变反射镜的曲率,改变反射光束的发散角度,从而改变焦点位置(图4)。

有了自动调焦功能,可显著提高激光切割机的加工效率,加工厚板时穿孔时间大幅缩减,加工不同材质、不同厚度的工件时,机器可自动将焦点快速调整到最合适的位置。

图3 工件材质不同切割焦点位置不同

图4 自动调焦

自动寻边

当板料放到工作台上时,若板料歪斜,切割时可能造成浪费。若切割机能够感知板料倾斜的角度和原点,则可调整切割加工程序,以适合板料的角度和位置,从而避免浪费。

启动自动寻边功能后,切割头从P点出发,自动测得板料两垂直边上的3点:P1、P2、P3,并据此自动计算出板料的倾斜角度A,以及板料的原点,如图5所示。借助自动寻边功能,省却了原先调整工件的时间,降低了工作强度,提升了切割效率。

图5 自动调整切割角度

集中穿孔

集中穿孔也称预穿孔,是一种加工工艺,并非激光切割机本身的功能。激光切割较厚板材时,每一轮廓的切割加工都要经历两个阶段,一是穿孔,二是切割。

常规加工工艺为:A点穿孔→切割轮廓1→B点穿孔→切割轮廓2→……所谓集中穿孔,就是将整张板材上的所有穿孔过程提前集中执行,然后回头再执行切割过程。集中穿孔加工工艺为:完成所有轮廓的穿孔→回到起点→切割所有轮廓,如图6所示。

图6 集中穿孔加工工艺

与常规加工工艺相比,集中穿孔时,机器的运行轨迹总长是增加的。但是,这种加工工艺可以避免过烧现象的发生。厚板穿孔过程中,在穿孔点周围形成热量聚集,若紧接着进行切割加工,就会出现过烧现象。采用集中穿孔工艺方式,完成所有穿孔、返回起点再切割时,由于有充分的时间散热,就避免了过烧现象。

集中穿孔也存在风险。如果在切割过程中发生碰撞,致使板材位置变动,则尚未切割的部分可能报废。集中穿孔工艺的应用需要配合自动编程系统的使用。

桥位(微连接)

进行激光切割加工时,板料被锯齿状的支撑条托住。被切割下来的零件,如果不够小,不能从支撑条的缝隙中落下;如果不够大,不能被支撑条托住,都可能会失去平衡,乃至翘起。高速运动的切割头可能与之发生碰撞,轻则停机,重则损坏切割头。

利用桥位(微连接)切割工艺,可避免发生此种现象。在对板材进行激光切割编程时,可将封闭的轮廓断开若干处,使切割完成后,零件与周围材料粘连在一起,不致掉落,这些断开处,就是桥位,也称为断点或微连接,如图7所示。断开距离一般为0.2~1mm,与板料厚度成反比。

图7 桥位

桥位将零件与周围材料连在一起,成熟的编程软件可根据轮廓的长度,自动加上合适数量的桥位。还能区分内外轮廓,决定是否增加桥位,使不留桥位的内轮廓(废料)掉落,而留桥位的外轮廓(零件)与母材粘连在一起,不掉落,从而免去分拣工作。

共边切割

如果相邻零件的轮廓是直线且角度相同,则可以合为一条直线,只切割一次,即共边切割。显而易见,共边切割减少了切割长度,可显著提高加工效率。共边切割并不要求零件的外形是矩形,如图8所示。

图8 共边切割

图8中天蓝色线条为公共边,共边切割不仅节省切割时间,而且减少穿孔次数,因此,效益非常明显。假如每天因共边切割节省1.5小时,每年节省约500小时,每小时综合成本按100元计算,则相当于一年额外创造了5万元效益。共边切割工艺的应用需要依赖于智能化编程软件的使用。


激光切割工艺分类


激光切割工艺采用激光束照射到钢板表面时释放的能量来使不锈钢熔化并蒸发。激光源一般用二氧化碳激光束,工作功率为5002500瓦。该功率的水平比许多家用电暖气所需要的功率还低,但是,通过透镜和反射镜,激光束聚集在很小的区域。能量的高度集中能够进行迅速局部加热,使不锈钢蒸发。此外,由于能量非常集中,所以,仅有少量热传到钢材的其它部分,所造成的变形很小或没有变形,利用激光可以非常准确的切割复杂形状的坯料,所切割的坯料不必再作进一步的处理。

激光切割工艺分为  

1.汽化切割:  

在高功率密度激光束的加热下,材料表面温度升至沸点温度的速度很快,足以避免热传导造成的熔化,于是部分材料汽化成蒸汽消失,部分材料作为喷出物从切缝底部被辅助气体流吹走。  

2.熔化切割   

当入射的激光束功率密度超过某一值后,光束照射点处材料内部开始蒸发,形成孔洞。一旦这种小孔形成,它将作为黑体吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金属壁所包围,然后,与光束同轴的辅助气流把孔洞周围的熔融材料带走。随着工件移动,小孔按切割方向同步横移形成一条切缝。激光束继续沿着这条缝的前沿照射,熔化材料持续或脉动地从缝内被吹走。  

3.氧化熔化切割  

熔化切割一般使用惰性气体,如果代之以氧气或其它活性气体,材料在激光束的照射下被点燃,与氧气发生激烈的化学反应而产生另一热源,称为氧化熔化切割。具体描述如下:  

(1)材料表面在激光束的照射下很快被加热到燃点温度,随之与氧气发生激烈的燃烧反应,放出大量热量。在此热量作用下,材料内部形成充满蒸汽的小孔,而小孔的周围为熔融的金属壁所包围。 

(2)燃烧物质转移成熔渣控制氧和金属的燃烧速度,同时氧气扩散通过熔渣到达点火前沿的快慢也对燃烧速度有很大的影响。氧气流速越高,燃烧化学反应和去除熔渣的速度也越快。当然,氧气流速不是越高越好,因为流速过快会导致切缝出口处反应产物即金属氧化物的快速冷却,这对切割质量也是不利的。  

(3)显然,氧化熔化切割过程存在着两个热源,即激光照射能和氧与金属化学反应产生的热能。据估计,切割钢时,氧化反应放出的热量要占到切割所需全部能量的60%左右。很明显,与惰性气体比较,使用氧作辅助气体可获得较高的切割速度。 

(4)在拥有两个热源的氧化熔化切割过程中,如果氧的燃烧速度高于激光束的移动速度,割缝显得宽而粗糙。如果激光束移动的速度比氧的燃烧速度快,则所得切缝狭而光滑。

4.控制断裂切割  

对于容易受热破坏的脆性材料,通过激光束加热进行高速、可控的切断,称为控制断裂切割。这种切割过程主要内容是:激光束加热脆性材料小块区域,引起该区域大的热梯度和严重的机械变形,导致材料形成裂缝。只要保持均衡的加热梯度,激光束可引导裂缝在任何需要的方向产生。


 常见的传统切割工艺有水切割、电火花加工、气燃体切割、等离子切割、模冲切割、锯切割、线切割、激光切割等。

此表为激光切割工艺与传统切割工艺的对比

 由上表可见,激光加工在整体上存在这明显的优势!不论是从精度、速度、还是费用上激光加工的优势都很明显。而且在图形变更上也比其他的加工方法容易的很多。由此看来激光加工是现代工业生产上不可缺少的必备加工手法。