早在上世紀 70 年代,激光(guang)就被首次用于切(qie)割。在現代工業生(sheng)產中(zhong),激光(guang)切(qie)割更被廣(guang)泛應用于鈑金(jin),塑料、玻璃、陶瓷、半導(dao)體(ti)以及紡(fang)織品(pin)、木材和紙(zhi)質等材料加(jia)工。
未來幾年(nian)里,激光切割在精密(mi)加(jia)(jia)工(gong)和微加(jia)(jia)工(gong)領域的應用同樣會獲(huo)得實(shi)質(zhi)的增長
激光切割
當聚(ju)焦的激(ji)光(guang)束照到工件上(shang)時,照射(she)區域會急劇升溫以使(shi)材料(liao)熔化(hua)或者氣(qi)化(hua)。一旦激(ji)光(guang)束穿透工件,切(qie)割過程就開始了:激(ji)光(guang)束沿著輪廓線移動,同時將材料(liao)熔化(hua)。通常會用一股噴射(she)氣(qi)流將熔融物從切(qie)口吹走(zou),在切(qie)割部(bu)分和板架(jia)間(jian)留下一條窄(zhai)縫,窄(zhai)縫幾乎與聚(ju)焦的激(ji)光(guang)束等寬(kuan)。
火焰(yan)切割
火焰切(qie)割(ge)是切(qie)割(ge)低碳鋼(gang)時采用的(de)一種標準工藝,采用氧(yang)(yang)(yang)氣作為切(qie)割(ge)氣體(ti)。氧(yang)(yang)(yang)氣加(jia)壓(ya)到(dao)高達(da) 6 bar 后吹進切(qie)口。在(zai)那里(li),被加(jia)熱的(de)金屬與(yu)氧(yang)(yang)(yang)氣發生(sheng)反應:開始燃燒和氧(yang)(yang)(yang)化。化學反應釋(shi)放大量(liang)的(de)能量(liang)(達(da)到(dao)激(ji)光(guang)能量(liang)的(de)五倍)輔助激(ji)光(guang)束進行切(qie)割(ge)。
熔(rong)化(hua)切割
熔(rong)化切割(ge)是切割(ge)金屬(shu)時(shi)使用的另一種標準工藝(yi)。也可以(yi)用于切割(ge)其他(ta)可熔(rong)材料,例如陶(tao)瓷。
采用氮氣或(huo)者氬氣作為切(qie)割(ge)氣,氣壓(ya) 2-20 bar 的(de)氣體(ti)(ti)吹過切(qie)口。氬氣和(he)氮氣是惰(duo)性氣體(ti)(ti),這意味著(zhu)它們(men)不和(he)切(qie)口中的(de)熔化(hua)金(jin)屬發生反應(ying),僅(jin)僅(jin)將它們(men)向底部吹走。同(tong)時,惰(duo)性氣體(ti)(ti)可以(yi)保(bao)護(hu)切(qie)割(ge)邊緣(yuan)不被空氣氧(yang)化(hua)。
壓縮空氣切割
壓縮(suo)空(kong)氣同樣可以(yi)用來(lai)切割薄板(ban)。空(kong)氣加壓到 5-6 bar 就足以(yi)吹走切口中(zhong)的熔融金屬。由于(yu)空(kong)氣中(zhong)接近 80% 都是氮氣,因此壓縮(suo)空(kong)氣切割基本上屬于(yu)熔化切割。
等(deng)離子體輔助(zhu)切(qie)割
如果(guo)參數(shu)選擇恰當,等(deng)離(li)(li)子體輔助熔化切割切口中會出(chu)現等(deng)離(li)(li)子體云。等(deng)離(li)(li)子體云由電離(li)(li)的金屬(shu)蒸氣(qi)和(he)電離(li)(li)的切割氣(qi)組成。等(deng)離(li)(li)子體云吸(xi)收 CO2 激光(guang)的能量并轉(zhuan)化進工件,使(shi)更多(duo)的能量耦合到工件,材料會更快(kuai)熔化,從而使(shi)切(qie)(qie)割速度更快(kuai)。因此,這種切(qie)(qie)割過程(cheng)也叫高速等(deng)離子體切(qie)(qie)割。
等離(li)子體云事實(shi)上相對于固體激光(guang)是透明的,因此(ci)等離(li)子體輔助熔化切割(ge)只能(neng)使用 CO2激(ji)光。
氣化切割
氣化切割將(jiang)材(cai)料(liao)蒸發,盡可能減(jian)小了對周圍材(cai)料(liao)的熱效應影響。采(cai)用連續 CO2 激光加(jia)工(gong)蒸發低熱量、高吸收的材(cai)料(liao)就可以達到上述效果,例(li)如薄的塑料(liao)薄膜以及木材(cai)、紙、泡沫等不熔化的材(cai)料(liao)。
超短脈沖激光使這項技術可以應用于其他材(cai)(cai)(cai)料。金(jin)屬中的(de)(de)自由電(dian)子吸收激光并劇烈升溫。激光脈沖不與熔融(rong)的(de)(de)粒(li)子和(he)等(deng)離子體反應,材(cai)(cai)(cai)料直接升華(hua),沒有(you)時(shi)(shi)間將能量(liang)以熱量(liang)的(de)(de)形式傳給周(zhou)圍(wei)材(cai)(cai)(cai)料。皮秒脈沖燒蝕(shi)材(cai)(cai)(cai)料時(shi)(shi)沒有(you)明顯的(de)(de)熱效(xiao)應,沒有(you)熔化和(he)毛刺形成。
參數:調整加(jia)工過程
許多參數影響激(ji)光切(qie)割過程,其中一(yi)些取決于激(ji)光器(qi)和機床的技術性能,而另一(yi)些是(shi)變化的。
偏振度
偏振度(du)(du)表明多少百分比的激光被轉換。典型的偏振度(du)(du)一般(ban)在 90% 左右。這(zhe)對于高(gao)質(zhi)量(liang)的切割已經足夠了。
焦(jiao)(jiao)點(dian)直(zhi)徑影(ying)響切(qie)口(kou)寬度,可以通過改變聚焦(jiao)(jiao)鏡的焦(jiao)(jiao)距改變焦(jiao)(jiao)點(dian)直(zhi)徑。更(geng)(geng)小的焦(jiao)(jiao)點(dian)直(zhi)徑意味著更(geng)(geng)窄(zhai)的切(qie)口(kou)。
焦點位置(zhi)決定了工件表面(mian)上的光(guang)束(shu)直(zhi)徑和功率(lv)密度以及切口的形狀(zhuang)。
激光功(gong)率(lv)應和(he)(he)加(jia)工(gong)類(lei)型、材料種(zhong)類(lei)和(he)(he)厚度(du)相匹配(pei)。功(gong)率(lv)必須足夠高以至于工(gong)件上的功(gong)率(lv)密(mi)度(du)超出(chu)加(jia)工(gong)閾值。
連續(xu)模式主要用于切割(ge)毫米到(dao)厘米尺(chi)寸的(de)(de)金屬和塑料(liao)的(de)(de)標準輪廓。而為了熔化穿孔或者產生精密(mi)的(de)(de)輪廓,則采用低(di)頻的(de)(de)脈沖激(ji)光。
激(ji)光功率和切割(ge)速度(du)必須互相匹配。太(tai)快或者太(tai)慢的切割(ge)速度(du)都會導致(zhi)粗糙(cao)度(du)的增加和毛刺的形成。
噴嘴的直徑(jing)決定了從噴嘴中噴出的氣(qi)體流(liu)量和氣(qi)流(liu)形(xing)狀。材料越厚,氣(qi)體噴流(liu)的直徑(jing)也要越大(da),相(xiang)應(ying)地(di),噴嘴口的直徑(jing)也要增(zeng)大(da)。
氧氣和(he)氮氣經常用作切割氣體(ti)。氣體(ti)的純度(du)和(he)氣壓(ya)影響切割效果。
采用(yong)氧氣(qi)火(huo)焰切割時,氣(qi)體純度需(xu)達(da)到 99.95 %。鋼板越厚,采用(yong)的(de)氣(qi)體氣(qi)壓越低。
采用氮氣(qi)(qi)熔化切割時,氣(qi)(qi)體純度需(xu)要達到 99.995 %(理想情況是 99.999 %),熔化切割厚鋼(gang)板時需(xu)要更高的氣(qi)(qi)壓(ya)。
在激光(guang)切割(ge)(ge)早期,使用者必須(xu)通過(guo)試運轉自行決定(ding)加工(gong)(gong)參(can)數的(de)(de)(de)設置。現在,成熟的(de)(de)(de)加工(gong)(gong)參(can)數被存儲在切割(ge)(ge)系統的(de)(de)(de)控制裝(zhuang)置中。對(dui)于(yu)每一種材料(liao)類型和厚度,都有對(dui)應的(de)(de)(de)數據。技術(shu)參(can)數表使得即使不熟悉(xi)這種技術(shu)的(de)(de)(de)人也能順利操作激光(guang)切割(ge)(ge)設備。
激光切割質(zhi)量評價因素(su)
有許多判(pan)定激(ji)光切(qie)割邊緣質量(liang)的標準。像毛刺形(xing)式、凹陷(xian)、紋路等標準可以用(yong)肉眼判(pan)定;垂直(zhi)度、粗(cu)糙度和切(qie)口寬度等則需要采用(yong)專(zhuan)用(yong)儀器(qi)來測(ce)量(liang)。材(cai)料沉積(ji),腐蝕,熱影響區域和變形(xing)也是衡(heng)量(liang)激(ji)光切(qie)割質量(liang)的重要因(yin)素。