滿春廷機械科技(常州)有限公司
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激光切割的鈑金加工簡介

發表時間:2018-03-28 00:00

激光切割及編程工藝

 激光切割技術已在薄板下料中得到廣泛應用 ,如何更好地提高材料的利用率 ,降低使用成本 ,是各企業面臨的普遍問題。本文詳細分析了激光切割特點和原則,提出利用工件的公用邊、零搭邊排樣技術優化切割路徑來減少廢料 ,提高材料利用率的工藝方法。文章結合天津電力機車調車機項目下料中激光切割的應用,進行了激光板材切割技術的工藝研究 ,結果表明 ,通過優化激光切割工藝,材料利用率可提高 3% ~ 25%,切割長度可減少 10% 左右。


激光切割的介紹


激光切割是利用經聚焦的高功率密度激光束照射工件,使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點,同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質,從而實現將工件割開。激光切割屬于熱切割方法之一。

激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制斷裂四類。

1)激光汽化切割

利用高能量密度的激光束加熱工件,使溫度迅速上升,在非常短的時間內達到材料的沸點,材料開始汽化,形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大,在蒸氣噴出的同時,在材料上形成切口。材料的汽化熱一般很大,所以激光汽化切割時需要很大的功率和功率密度。

激光汽化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料(如紙、布、木材、塑料和橡皮等)的切割。

2)激光熔化切割

激光熔化切割時,用激光加熱使金屬材料熔化,然后通過與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化性氣體(Ar、He、N等),依靠氣體的強大壓力使液態金屬排出,形成切口。激光熔化切割不需要使金屬完全汽化,所需能量只有汽化切割的1/10。

激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割,如不銹鋼、鈦、鋁及其合金等。

3)激光氧氣切割

激光氧氣切割原理類似于氧乙炔切割。它是用激光作為預熱熱源,用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用,發生氧化反應,放出大量的氧化熱;另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應區吹出,在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應產生了大量的熱,所以激光氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的1/2,而切割速度遠遠大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧氣切割主要用于碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。

4)激光劃片與控制斷裂

激光劃片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面進行掃描,使材料受熱蒸發出一條小槽,然后施加一定的壓力,脆性材料就會沿小槽處裂開。激光劃片用的激光器一般為Q開關激光器和CO2激光器。

控制斷裂是利用激光刻槽時所產生的陡峭的溫度分布,在脆性材料中產生局部熱應力,使材料沿小槽斷開。


激光切割技術廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中,與其他加工方式比較 ,激光切割一次性投入成本大 ,但是切割速度快、成型精度高、切割后斷面光滑對材料無損傷且適用于多種材料的切割。


激光切割在薄板成型時 ,通過對程序的調整 ,可實現在復雜的三維工件上進行開孔、切割動作 ,用其替代復雜的沖孔、切割模具 ,能明顯降低生產制造成本及縮短生產周期因此 ,目前激光切割已廣泛地應用于城市軌道車輛制造、汽車工業制造及航空等行業中。在天津電力機車的備料生產中 ,板厚 16mm 以下的碳鋼、不銹鋼材質的形件用料和板件用料都是由激光切割完成。


在生產實際中應考慮如何優化激光切割工藝 ,提高生產過程中板材利用率 ,縮短切割延米長度 ,從而實現提高工件質量及降低生產成本。經過長期的實踐探索,激光切割路徑的優化和工件的公用邊排樣技術是激光切割減少廢料的關鍵技術和難點。


激光切割技術的難點分析及工藝要求


2.1 難點分析


激光切割過程中切割路徑的選擇是激光切割中一大難點 ,它直接影響切割后工件質量及生產效率。首先 ,切割路徑排序直接決定激光器行走的路線 ,切割路線過于集中時 ,熱輸入量大造成板材變形 ,影響切割后工件尺寸精度 ,切割路線跳躍性大 ,切割時間明顯增大 ,在實際生產中應考慮工件尺寸技術要求及切割時間 ,制定合理的切割路徑。其次 ,激光切割過程中同種板厚、同種材質的同種零件組合、異種零件嵌套的公用邊搭邊組合 ,單個零件之間的間隙≤ 5mm 時 ,切割順序是否合理直接影響著激光切割設備能否正常運行和切割后工件的尺寸精度。切割順序不當 ,嚴重時會造成激光切割設備故障。標記線和切割線不正確交替 ,往往導致切件成刻件 ,刻孔成開孔 ,使切割工作無法進行。


2.2 切割技術的工藝要求


2.2.1 起火線位置


激光切割工件時 ,無論內外輪廓 ,起火時應盡可能選擇直線段起火 ,以確保弧線的曲率和準確率。當內外輪廓皆為圓孔或其它不規則曲線時 ,則選擇相對無用邊起火 ,以保證必用邊外形形狀及尺寸。


2.2.2 單個工件激光切割加工順序


首先 ,加工各單個工件內部的切割線 ,最后加工單個工件的外輪廓。先加工單個工件外輪廓 ,由于板材內應力釋放后工件變形 ,工件脫離托料板發生移位 ,造成工件內部加工尺寸產生偏差。對加工工件進行公用邊處理時 ,應根據工件的結構特點 ,選擇合理的位置進行處理 ,并將公用邊作為內部切割線進行處理。


2.2.3 跳躍式切割


進行激光切割時 ,若工件內部加工位置比較密集時 ,若按順序進行切割 ,會造成工件局部如熱輸入量過大 ,造成工件變形從而影響加工工件的尺寸精度 ,這種情況下 ,為避免造成工件尺寸偏差 ,采用跳躍式切割路線。


三、 激光切割技術優化


3.1 公用邊激光切割工藝


   3.1.1 工藝方法介紹


公用邊切割是指在原始板材范圍內 ,將外輪廓規則的工件通過公用線條的方式組合成一個復雜的單個工件的切割路徑優化方法 ,其中公用線條稱為公用邊。首先 ,將通過公用邊連接而成的復雜工件外輪廓連接成封閉線 ,然后工件原始的內部輪廓線連接成封閉線 ,將公用邊作為標記線處理 ,最后 ,為這個復雜工件制定合理的切割路線 ,生成激光切割程序。


公用邊切割是將整個板件看成一個復雜的零件進行編輯 ,切割效率高 ,有效節約板材。但在編程前的圖形處理的工作量較大 ,在路徑優化上需要進行繁瑣的順序研究 ,在圖形上進行手動路徑修改,正確更改線條的參數,按照修改后的切割路線 ,生成激光切割程序。


3.1.2 公用邊切割技術的應用


天津電力機車調車機底架組成上的筋板如圖 1 所示 ,該工件用量較大。在該工件的切割過程中 ,進行了同種零件公用邊組合的激光切割工藝實踐。




圖1調車機底架筋板


   

   正常排料方式與公用邊排料方式的比較


   

為了確定合理的切割工藝 ,在生產過程中 ,對此工件采用了正常的排料方式和公用邊排料方式,通過實際生產進行對比。在該零件切割試驗中 ,選取兩塊 600mm×450mm 的板料 ,在上面采用不同的排料方式 ,正常激光切割工件的排料方式見圖 a ;公用邊排料方式見圖 b。經過計算后得出表 1 中現實的試驗數據。



圖2



表1.不同排料方式的比較

   按表 1 可見 ,對于此試驗 ,相同面積原材料 ,采用公用邊切割獲得工件數量是正常排料方式切割的 1.5 倍 ,采用公用邊與正常排料方式切割同樣數量的工件 ,激光器行走路徑減少2m。可見 ,公用邊切割工藝能提高生產效率及原材料利用率。


3.2 零搭邊激光切割工藝


所謂零搭邊切割,是指激光切割時不考慮切割工件外邊緣,直接將板材的外邊緣當做工件外邊緣使用 ,進而減少切割中對板材的浪費的一種切割方式。圖 3 為天津電力機車調車機底架裝配時使用的支撐梁,工件尺寸與板材相符,因此在切割過程中,理論上只設定切割工件內部的長孔及直線段,而不切割外邊緣,長孔切割完畢后,工件也就成形。但是由于實際上編程能力限制,這種再加工方法還沒有熟練掌握。



圖3



   

四、 結論


   

   選擇合理的激光切割路徑和采用激光公用邊切割、零搭邊切割等激光切割工藝 ,工件的切割質量得到明顯提高、材料利用率可提高 3%~25%,切割長度可減少 10% 左右。極大地提高了生產過程中經濟效益。


五、激光技術部分題目


1、從激光束的特性分析,為什么激光束可以用來進行激光與物質的相互作用?

答:(1)方向性好:發散角小、聚焦光斑小,聚焦能量密度高。

(2)單色性好: 為精密度儀器測量和激勵某些化學反應等科學實驗提供了極為有利的手段。

(3)亮度極高:能量密度高。

(4)相關性好:獲得高的相關光強,從激光器發出的光就可以步調一致地向同一方向傳播,可以用透鏡把它們會聚到一點上,把能量高度集中起來。

總之,激光能量不僅在空間上高度集中,同時在時間上也可高度集中,因而可以在一瞬間產生出巨大的光熱,可廣泛應用于材料加工、醫療、激光武器等領域。


2、什么是焦深,焦深的計算及影響因素?

答:光軸上其點的光強降低至激光焦點處的光強一半時,該點至焦點的距離稱為光束的聚焦深度。光束的聚焦深度與入射激光波長和透鏡焦距的平方成正比,與w12成反比,因此要獲得較大的聚焦深度,就要選長聚焦透鏡,例如在深孔激光加工以及厚板的激光切割和焊接中,要減少錐度,均需要較大的聚焦深度。


3、對于金屬材料影響材料吸收率的因素有哪些?在目前激光表面淬火中常對工件進行黑化處理,為什么?

答:波長、溫度、材料表面狀態

波長越短,金屬對激光的吸收率就越高

溫度越高,金屬對激光的吸收率就越高

材料表面越粗糙,反射率越低,吸收率越大

提高材料對激光的吸收率


4、簡述激光模式對激光加工的影響,并舉出2個它們的應用領域?

答:基模光束的優點是發散角小,能量集中,缺點是功率不大,且能量分布不均。

應用:激光切割、打孔、焊接等。

高階模的優點是輸出功率大,能量分布較為均勻,缺點是發散厲害。應用:激光淬火(相變硬化)、金屬表面處理等。


5、試敘述激光相變硬化的主要機制。

答:當采用激光掃描零件表面,其激光能量被零件表面吸收后迅速達到極高的溫度,此時工件內部仍處于冷態,隨著激光束離開零件表面,由于熱傳導作用,表面能量迅速向內部傳遞,使表層以極高的冷卻速度冷卻,故可進行自身淬火,實現工件表面相變硬化。


6、激光淬火區橫截面為什么是月牙形?在此月牙形區相變硬化有什么特點?

特點:A,B部位硬化,C部位硬化不夠

原因:A,B部位接近材料內部,熱傳導速率大,可以高于臨界冷卻速度的速度冷卻,因此可充分硬化,而C部位熱傳導速率小,不能以高于臨界冷卻速度的速度冷卻,因此硬化不夠。


7、材料表面激光相變硬化的兩個主要條件是什么?對激光光束和工件有什么要求?

答:兩個主要條件:1. 材料加熱后達到的最高溫度Tmax溫度必須是在相變溫度(奧氏體化溫度)以上,且在熔點以下;2. 必須從相變點A1以上的溫度以高于臨界冷卻速度冷卻。  

激光功率密度:103~104W/cm2

自身工件具有一定大小,實現自我快速冷卻。


8、在激光表面淬火中需要光束的光強分布盡可能均勻,你知道幾種能使光束光強分布均勻的措施和方法。

答:采用光強分布均勻的高階模光束;

振鏡掃描方法:使光束在試件的同一部位,以短時間內來回掃描2-3次,使之具有接近于時間上平均的光強分布的矩形面熱源特征。

積分組合鏡:在激光反射面上安裝許多很細的平面鏡,使之在激光焦面上達到均勻的能量分布。




9、試敘述什么是激光熔覆和表面合金化。并分析兩者間異同。

答:激光熔覆是一種新的表面改性技術。通過在基體材料表面添加熔覆材料,并利用高能密度的激光束使熔覆材料熔化,并與材料表面形成冶金連接在金屬表面形成以熔覆的材料為基體的表面強化層,從而顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法。

激光表面合金化是利用高能密度的激光束快速加熱的特點,使基材表層金屬和所添加的合金元素熔化混合,在基材表面形成一層具有一定濃度且成分均勻的合金層,從而滿足對工件耐磨、耐蝕、耐高溫抗氧化等特殊性能的要求。

區別:激光熔覆不是以基體上的熔融金屬為熔劑加入合金元素,而是用另行配制的合金粉末被激光熔化,成為熔覆層的主體合金,同時基體金屬也有一薄層熔化與熔覆層結合。

 簡單來說:激光熔覆的合金粉末既包括熔質,也包括熔劑,形成的融合層自成系統,與基體冶金結合。激光合金化是合金粉末與基體融化在一起,基體材料作為熔劑,形成的合金層。


10、試敘述激光深穿透焊接與激光熱傳導焊接的主要異同

答:熱導焊:激光功率密度較低(105~106 W/cm2),依靠熱傳導向工件內部傳遞熱量形成熔池。光能量只被材料表層吸收,不產生非線性效應或小孔效應。這種焊接模式熔深淺,深寬比較小(焊縫深度小于2.5 mm,焊縫的深寬比最大為3:1)。

深熔焊:激光功率密度高(106~107 W/cm2),工件迅速熔化乃至氣化形成小孔(即有小孔效應)。這種焊接模式熔深大(51 mm),深寬比也大(焊縫深寬比最大可達12:1)。在機械制造領域,除了那些微薄零件之外,一般應選用深熔焊。


11、激光切割主要有哪幾種類型,常用哪種激光切割方式?

答:氣化切割,熔化切割和氧助熔化切割,

氣化切割是激光束加熱工件至沸點以上的溫度,部分材料以蒸汽形式逸出,部分材料作為噴射物從切縫底部被吹走,所需激光功率密度一般為108W/cm2左右。

     適用于切割不能熔化的木材,塑料和碳素等材料。

熔化切割是激光將工件加熱至熔化狀態,形成孔洞,同時依靠與光束同軸的輔助惰性氣體將孔洞周圍的熔化材料吹除、帶走、形成切縫。熔化切割所需的激光功率密度一般為107W/cm2左右,是氣化切割的1/10,適合金屬材料。      

熔化切割一般使用惰性氣體,如果代之以氧氣或其它活性氣體,材料在激光束的照射下被點燃,與氧氣發生激烈的化學反應而產生另一熱源,稱為氧助熔化切割。所需的激光切割能量只有氣化切割的1/20。適用于金屬材料,應用最廣的切割方法。

氧助熔化切割所需的激光切割能量最小,因此最常用。


12、從激光加工工藝上考慮,如何打一個高質量的孔?激光打孔中,一般采用什么離焦量,為什么?


答:采用較短的脈沖;選擇前后沿陡的波形打孔;基模進行打孔;一定的正離焦;多脈沖打孔、高峰值功率、材料的熱擴散系數低等。

一定的正離焦,破壞機理主要是材料的蒸發,此時打出的孔比較深,孔的入口處直徑較小,孔的錐度較小,打孔效果好。

焦點在工件內部(負離焦)時,激光以會聚方式進入材料,孔壁不能(或很少能)直接接受光通量,因此,液相多氣相少,汽化時蒸氣壓力不太大,噴射力小,孔形錐度較大,打孔質量有好有壞。

過分的入焦和離焦使被加工點的能量密度大大下降,孔深大大減小



13、激光在什么樣的等離子體中能夠傳輸?兩者必須滿足怎樣的頻率關系?激光焊接光致等離子體對焊接質量有何影響?采用哪些方法可以對光致等離子體進行控制?高功率激光焊接時,會產生等離子體,這時會產生深寬比小的焊縫,這是為什么?

 答:激光只能在密度低于臨界密度的等離子體中傳輸。激光頻率必須高于等離子體頻率,否則激光將無法傳播。兩者頻率關系必須滿足色散關系

激光深熔焊接過程中產生的等離子體云團對入射激光具有屏蔽作用,影響正常焊接過程,等離子體的吸收和散射作用影響了激光的傳輸效率,降低了到達工件上的激光能量;等離子體對激光的折射作用使激光束產生嚴重散焦,光斑變大,并且導致激光實際聚焦位置比正常聚焦位置偏低,大大降低了耦合到工件表面的能量密度,從而降低了焊接質量。

等離子體對激光的折射行為是引起等離子體屏蔽的主要原因。

控制方法:激光束擺動法、脈沖激光焊接法、外加電磁場控制法、吹輔助氣體法、低氣壓或真空焊接法

等離子體對激光有強烈的吸收、散射和折射作用,從而屏蔽后繼激光,導致激光熔池中的激光能量減少,從而使焊接熔深減小,這就是所謂等離子體屏蔽效應。


14、簡述啁啾脈沖放大技術的基本原理

答:由于直接放大fs脈沖時,其峰值功率很高會損壞激光晶體,因此先將fs脈沖展寬成ps脈沖,再進行放大,放大后再把脈寬壓縮回fs,此時激光功率增強百萬倍以上。


15、與常規脈沖激光加工相比,飛秒激光微加工有哪些優點?

①耗能低,無熱熔區,“冷”加工;

②可加工的材料廣泛:從金屬到非金屬再到生物細胞組織;

③不會出現加工面的熔融、裂縫現象。高精度、高質量、高分辨率,加工區域可小于焦斑尺寸,突破衍射極限;

④非接觸,無飛濺無熔渣、無污染、不需特殊的氣體環境和無后續工藝。


1脈沖burst功能的作用?

脈沖切割。使振蕩輸出間斷地發生從而進行切割的方法。脈沖切割法,通過將投入材料的熱量降到最低限,能夠進行切割質量以及尺寸精度良好的加工。進行脈沖切割法時,要設定脈沖頻率和脈沖占空比。所謂脈沖頻率,是指在1秒鐘內使激光光束ON、OFF幾次,用Hz(赫茲)表示。所謂脈沖占空比,是指每1脈沖(1回輸出的ON和OFF)的激光光束震蕩時間的比率,用%(百分比)表示。


激光切割機設備選購指南

激光切割機目前已廣泛的應用于各行各業,已經不是原有的奢侈品,當你要購買一臺激光切割機的時候,考慮目前加工工件的最大尺寸、材質、需要切割的最大厚度以及原材料幅面的大小

如果企業要生存,唯一的辦法就是提高加工效率,降低使用成本!

比切割精度;比切割效率;比維護成本;比使用壽命!

1、切割精度:

切割精度是選擇機床的基礎,是指切割工件的輪廓精度,而不是樣本上標注的靜態精度!

好機床和差機床的區別在于高速切割零件時的精度是否會發生明顯變化,在不同位置切割時工件的一致性是否會發生較大的變化!

2、切割效率:

切割效率是評價機器的核心賺錢指標,切割效率是指切割一個工件完成的時間,而不是單純的看切割速度!所有的參數都可以造假,只有切割時間是不能造假的!

切割效率越高,意味著加工費用越高,運行成本越低,是賺錢的法寶!

3、維護成本:

目前激光切割機最大的維護成本主要來自于激光器的維護成本!

但各家激光器的維護使用成本是不同的。

4、使用壽命:

使用壽命是評價機器的核心省錢指標,機床的使用壽命越長,設備的折舊費用就越低。

決定機床壽命的主要因素主要有如下幾個方面:

機床的剛性,簡單的講機床的噸位越重剛性就越好!

機床器件的配置,尤其是傳動器件的品牌及質量!

工藝制造水平,企業的技術積累及技術經驗的傳承!

二、常見的幾個問題

1、設備的動態特性及加速度

動態特性的好壞簡單的講就是高速切割零件的輪廓精度。理論上講機床的加速度越大機床的動態特性越好!

加速度的標注國際上通用的標準方法采用單軸最小加速度標注法,如德國通快公司標注單軸加速度為:1.5g。而目前市場上很多國內企業采用復合加速度的標注如:2-3g,這其中就很容易造假!

辨別加速度真偽的辦法:就是高速切割一個較復雜的零件,在保證零件精度的前提下,看切割時間;你會發現1.5g的比某些3g加速度的還要快!

2、焊接鋼制橫梁與鑄鋁橫梁(鋁合金冷拔梁)哪個更好?

機床要獲得良好的動態特性,在保證橫梁剛性的情況下越輕越好!

目前全世界主流品牌采用的橫梁通常為鑄鋁橫梁或鋁合金冷拔梁,鑄鋁橫梁吸震性能更佳,所以采用的十分廣泛。

焊接鋼制橫梁只能采用很薄的鋼板(3毫米左右)焊接,如果重量過重就不會有好的特性。但薄的鋼板焊接時不能進行退火處理,因此使用一段時間橫梁便會發生變形。建議可考察該類設備使用一段時間高速切割板材的精度便知。

3、機床噸位及機床最大運行的速度的意義何在?

 理論上講機床噸位越重機床剛性就越好,使用壽命越長,同時可承載的運行速度越快!

4、服務售后

1.設備整機質保期為一年。

2.設備一旦出現故障,服務中心隨時安排受過嚴格專業訓練的服務工程師提供遠程指導或現場服務。

3.無論是否在質保期內,我方在接到故障報修信息后, 2小時內作出答復,首先提供遠程指導服務;若仍無法排除故障,則有關技術人員將在隨后的24小時內趕到現場。

4.為用戶提供終身售后服務,包括日常咨詢與指導、技術支持及備件供應;協助用戶對設備進行改造。為用戶提供最新技術信息及資料。

5.日常備足總值80萬美元的備件,確保不斷供。因規模效應(存量4500多臺,每年增量300臺)帶來的備件量大價優之利,都分享給我們的忠誠用戶。

6.用戶購買設備3年內,免費向用戶提供該時間段內所開發的軟件的技術升級,終身提供優質的技術服務及技術支持。

7.每個季度指派具有豐富經驗的專職工程技術人員主動走訪用戶,對設備進行全面檢查和維護保養,對操作人員進行工藝培訓,預防設備故障,發揮設備的最大潛能,為用戶創造價值。





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