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激光工藝培訓 一 激光切割機介紹1 定義 1 主要用于將板材切割成所需形狀工件的激光加工機床 2 利用激光束的熱能實現(xiàn)切割的設備 就是將激光束照射到工件表面時釋放的能量來使工件融化并蒸發(fā) 以達到切割和雕刻的目的 具有精度高 切割快速 不局限于切割圖案限制 自動排版節(jié)省材料 切口平滑 加工成本低等特點 將逐漸改進或取代于傳統(tǒng)的切割工藝設備 2 激光切割機的主要組成 1 激光器按工作物質(zhì)的種類可分為固體激光器 氣體激光器 液體激光器和半導體激光器四大類 由于He Ne 氦 氖 氣體激光器所產(chǎn)生的激光不僅容易控制 而且方向性 單色性及相干性都比較好 因而在機械制造的精密測量中被廣泛采用 而在激光加工中則要求輸出功率與能量大 目前多采用二氧化碳氣體激光器及紅寶石 釹玻璃 YAG 摻釹釔鋁石榴石 等固體激光器 2 主機按切割柜與工作臺相對移動的方式 可分為以下三種類型 1 在切割過程中 光束 由割炬射出 與工作臺都移動 一般光束沿Y向移 工作臺在X向移 2 在切割過程中 只有光束 割炬 移動 工作臺不移動 3 在切割過程中 只有工作臺移動 而光束 割炬 則固定不動 3 冷卻系統(tǒng) 4 供氣系統(tǒng)氣源 瓶裝氣 壓縮空氣 空氣壓縮機 冷干機 過濾裝置管路 5 電源三相電壓穩(wěn)定度 5 電源不平衡度2 5 6 控制系統(tǒng)導光聚焦系統(tǒng)根據(jù)被加工工件的性能要求 光束經(jīng)放大 整形 聚焦后作用于加工部位 這種從激光器輸出窗口到被加工工件之間的裝置稱為導光聚焦系統(tǒng) 激光加工系統(tǒng)激光加工系統(tǒng)主要包括床身 能夠在三維坐標范圍內(nèi)移動的工作臺及機電控制系統(tǒng)等 隨著電子技術(shù)的發(fā)展 許多激光加工系統(tǒng)已采用計算機來控制工作臺的移動 實現(xiàn)激光加工的連續(xù)工作 3 加工原理 將數(shù)字信息送入專用的或通用的計算機 計算機對輸入的信息進行處理和運算 發(fā)出各種指令來控制機床的伺服系統(tǒng)或其它執(zhí)行元件 使機床自動加工出所需要的工件或產(chǎn)品 ByJin3015數(shù)控切割機的主要技術(shù)參數(shù) 1 切割區(qū)域 3048mmx1524mm 2 Z軸行程 70mm 3 機器精度 根據(jù)VDL DGQ3441 0 1mm m 4 重復精度 0 05mm 5 X Y軸最大定位速度 100m min 6 X Y軸最大聯(lián)動定位速度 141m min 7 最大軸向加速度 8m S2 8 最大切割速度 50m min 9 機器自重 約12 000kg 10 顏色標準 NCSS0585 Y80R NCSS7020 R60B 11 工作臺最大承重 750kg 3000X1500X20mm 12 交換切割臺交換時間 約35秒機床精度VDL DGQ3441測量長度1m 切割精度與板材厚度和質(zhì)量有關(guān) 二 激光切割方法 2 1激光熔化切割在激光熔化切割中 工件被局部熔化后借助氣流把熔化的材料噴射出去 因為材料的轉(zhuǎn)移只發(fā)生在其液態(tài)情況下 所以該過程被稱作激光熔化切割 激光光束配上高純惰性切割氣體促使熔化的材料離開割縫 而氣體本身不參于切割 最大切割速度隨著激光功率的增加而增加 隨著板材厚度的增加和材料熔化溫度的增加而幾乎反比例地減小 在激光功率一定的情況下 限制因數(shù)就是割縫處的氣壓和材料的熱傳導率 激光熔化切割對于鐵制材料和鈦金屬可以得到無氧化切口 產(chǎn)生熔化但不到氣化的激光功率密度 對于鋼材料來說 在104W cm2 105W cm2之間 2 2激光火焰切割激光火焰切割與激光熔化切割的不同之處在于使用氧氣作為切割氣體 借助于氧氣和加熱后的金屬之間的相互作用 產(chǎn)生化學反應使材料進一步加熱 由于此效應 對于相同厚度的結(jié)構(gòu)鋼 采用該方法可得到的切割速率比熔化切割要高 另一方面 該方法和熔化切割相比可能切口質(zhì)量更差 實際上它會生成更寬的割縫 明顯的粗糙度 增加的熱影響區(qū)和更差的邊緣質(zhì)量 激光火焰切割在加工精密模型和尖角時是不好的 有燒掉尖角的危險 可以使用脈沖模式的激光來限制熱影響 所用的激光功率決定切割速度 在激光功率一定的情況下 限制因數(shù)就是氧氣的供應和材料的熱傳導率 2 3激光氣化切割在激光氣化切割過程中 材料在割縫處發(fā)生氣化 此情況下需要非常高的激光功率 為了防止材料蒸氣冷凝到割縫壁上 材料的厚度一定不要大大超過激光光束的直徑 該加工因而只適合于應用在必須避免有熔化材料排除的情況下 該加工實際上只用于鐵基合金很小的使用領域 在板材厚度一定的情況下 最大切割速度反比于材料的氣化溫度 所需激光功率密度要大于108W cm2 并且取決于材料 切割深度和光束焦點位置 在板材厚度一定的情況下 假設有足夠的激光功率 最大切割速度受到氣體射流速度的限制 激光切割示意圖 激光切割的特點 1 幾乎對所有的金屬和非金屬材料都可以進行激光加工 2 激光能聚焦成極小的光斑 可進行微細和精密加工 如微細窄縫和微型孔的加工 3 可用反射鏡將激光束送往遠離激光器的隔離室或其它地點進行加工 4 加工時不需用刀具 屬于非接觸加工 無機械加工變形 5 無需加工工具和特殊環(huán)境 便于自動控制連續(xù)加工 加工效率高 加工變形和熱變形小 激光切割技術(shù) 激光切割的幾項關(guān)鍵技術(shù)是光 機 電一體化的綜合技術(shù) 激光束的參數(shù) 機器與數(shù)控系統(tǒng)的性能和精度直接影響切割的效率和質(zhì)量 焦點位置控制技術(shù) 激光切割的優(yōu)點之一是光束的能量密度高 一般10W cm2 一般大功率CO2激光切割工業(yè)應用中廣泛采用 127 190mm 的焦距 實際焦點光斑直徑在0 1 0 4mm之間 激光穿孔技術(shù) 任何一種熱切割技術(shù) 除少數(shù)情況可以從板邊緣開始外 一般都需在板上穿一小孔 激光切割機有2種穿孔的基本方法 爆破穿孔法和脈沖穿孔法 噴嘴設計及氣流控制技術(shù) 目前激光切割用噴嘴采用簡單的結(jié)構(gòu) 即一錐形孔帶端部小圓孔 通常用實驗和誤差的方法進行設計 激光切割的工藝分析 激光切割是熔化與汽化相結(jié)合的過程 影響其切割質(zhì)量的因素很多 除了機床 加工材料等硬件因素之外 其他軟件因素也對其加工質(zhì)量有很大的影響 根據(jù)實際切割中出現(xiàn)的問題 結(jié)合激光切割本身的特點 研究這些軟件因素對加工質(zhì)量的影響正是計算機輔助工藝設計的基本內(nèi)容 具體包括以下幾點 打孔點的選擇 根據(jù)實際情況確定打孔點位置 輔助切割路徑的設置 激光束半徑補償和空行程處理 通過板材優(yōu)化排樣來節(jié)省材料盡可能提高板材利用率 結(jié)合零件套排問題的路徑選取 考慮熱變形等加工因素影響后的路徑 三 加工過程 加工過程 指激光光束 加工氣體和工件之間的相互作用 3 1切割過程 該過程發(fā)生的區(qū)域是切割之前 作用在該切割之前的激光必須加熱工件到把材料熔化和氣化所需的溫度 切割平面由一個幾乎垂直的平面組成 該平面被吸收的激光輻射加熱并熔化 在激光火焰切割中 該熔化區(qū)被進入割縫的氧氣流進一步加熱 達到接近沸點的溫度 產(chǎn)生的氣化把材料移走 同時 借助于加工氣體 液化材料從工件下部排出 在激光熔化切割中 液化材料隨氣體排出 該氣體也保護割縫以防氧化 連續(xù)的熔化區(qū)沿著切割方向逐漸滑移 因而得到一條連續(xù)割縫 激光切割過程的許多重要活動發(fā)生在該區(qū)域 對這些活動的分析可以得到激光切割的重要信息 這樣 就可以計算切割速度并解釋牽引線特性的形成 3 2材料特性 在工件上進行切割活動的結(jié)果可能是整潔的切口 或者相反 邊緣粗糙或過燒 影響切割質(zhì)量最重要的因數(shù)是 合金成份合金成份在一定程度上影響著材料的強度 比重 可焊接性 抗氧化能力和酸性 鐵合金材料中的一些重要元素有 碳 鉻 鎳 鎂和鋅 碳含量越高 材料越難切 臨界值認為是含碳0 8 以下型號碳鋼用激光切割效果是很好的 Q235 StW22 低硅低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼 材料的微觀結(jié)構(gòu)一般來說 組成材料的顆粒越細 切割邊緣的質(zhì)量越好 表面質(zhì)量 表面粗糙度如果表面有生銹區(qū)域或氧化層 那么切割的輪廓將不規(guī)則并出現(xiàn)許多破損點 如果要切割波紋板 就選擇最大厚度切割參數(shù) 表面處理最常用的表面處理有鍍鋅 聚焦鍍鋅 涂漆 陽極電鍍或覆蓋分層塑料膠片 用鋅處理過的板材易于在邊緣出現(xiàn)掛渣 對于涂漆的板材 切割質(zhì)量依賴于所涂產(chǎn)品成份的組成 如何進行涂漆材料的加工 第一趟選擇一組功率小 雕刻 的用于對處理表面作預燒打標的參數(shù) 第二趟選擇一組用于材料切割的參數(shù) 有分層材料涂層的板材非常適合激光切割 為了使電容式探測無故障工作 讓分層涂層得到最優(yōu)粘合 避免產(chǎn)生浮泡 分層邊必須總是在切割工件的上部 光束反射光束在工件表面如何反射取決于基本材料 表面粗糙度和處理 一些鋁合金 銅 黃銅和不銹鋼板材具有高反射率的特點 切割這些材料時 要特別注意調(diào)節(jié)好焦點位置 熱傳導率焊接時 低熱傳導率的材料 和高熱傳導率的材料相比 需要更小的功率 比如 對于鉻鎳合金鋼 所需的功率要小于結(jié)構(gòu)鋼的 對加工產(chǎn)生的熱的吸收也更少 另一方面 比如銅 鋁和黃銅這些材料散失掉一大部分通過吸收激光產(chǎn)生的熱 因為熱從光束目標點處傳導開了 所以熱影響區(qū)的材料更難熔化了 熱影響區(qū)激光火焰切割和激光熔化切割會導致切割材料邊緣區(qū)域發(fā)生材料變異 當加工低碳鋼或無氧鋼時 熱影響區(qū)的淬火減少了 對于高碳鋼 60 會出現(xiàn)邊緣區(qū)域變硬的現(xiàn)象 對于硬軋鋁合金 熱影響區(qū)甚至會比其余部分稍微軟一些 熔點 熱熔解 氣化溫度 3 3不同材料的可加工性 結(jié)構(gòu)鋼該材料用氧氣切割時會得到較好的結(jié)果 使用CW模式激光 當加工非常小的曲線控制系統(tǒng)改變進給速率時 它通過調(diào)節(jié)使激光功率和軸進給速率相適應 當用氧氣作為加工氣體時 切割邊緣會輕微氧化 對于厚度達4mm的板材 可以用氮氣作為加工氣體進行高壓切割 這種情況下 切割邊緣不會被氧化 復雜輪廓和小孔 直徑小于材料厚度 應該用脈沖模式切割 這樣可以避免切掉尖角 碳含量越高 切割邊緣越易淬火 拐角越易過燒 合金含量高的板材比低的更難切割 氧化或噴砂處理過的表面會得到更差的切割質(zhì)量 板材表面的余熱對切割結(jié)果有負面影響 厚度在10mm以上的板材 對激光器使用特殊極板并且在加工中給工件表面涂油可以得到較好的效果 油膜減少熔渣粘到表面并極大地幫助切割 油膜不影響切割活動的效果 為了消除張力 只切割經(jīng)二次處理過的鋼板 沸騰條件下熔化鋼鐵中的不純成份實際上對切割結(jié)果有很大影響 為了切割表面潔凈的結(jié)構(gòu)鋼 須遵循以下提示 Si 0 04 首選 激光加工很好 Si0 25 不適合激光切割 可能會得到更差的或不一致的結(jié)果 注意 對于達到St52的鋼鐵 按照DIN標準的容許量為Si 0 55 該指標對于激光加工來說太不精確了 不銹鋼切割不銹鋼需要 使用氧氣 在邊緣氧化不要緊的情況下 使用氮氣以得到無氧化無毛刺的邊緣 就不需要再作處理了 用可能得到的高激光功率 同時采用高壓氮氣 比用氧氣可能會得到相當?shù)幕蚋叩那懈钏俣?為了用氮氣切4mm以上的不銹鋼 并且無毛刺 調(diào)節(jié)焦點位置是必要的 重新設焦點位置并降低速度 就可能得到潔凈的切口 當然無法避免小毛刺 在板材表面涂層油膜會得到更好的穿孔效果 而不降低加工質(zhì)量 對于不銹鋼 請選擇 氧氣切割 對于5mm以上的厚板材 降低進給速度 激光采用脈沖模式 對于穿孔和切割采用同樣的噴嘴高度 鋁鋁及其合金更適宜用連續(xù)模式切割 盡管有高反射率和熱傳導性 厚度6mm以下的鋁材可以切割 這取決于合金類型和激光器能力 鋁可以用氧切割或高壓氮切割 當用氧切割時 切割表面粗糙而堅硬 只產(chǎn)生一點火焰 但卻難以消除 用氮氣時 切割表面平滑 當加工3mm以下的板材時 通過最優(yōu)調(diào)整后可以得到事實上無毛刺的切口 對于更厚的板材 會產(chǎn)生難以去除的毛刺 純鋁因為其高純非常難切割 合金含量越高 材料越易切割 建議 只有在系統(tǒng)上安裝有 反射吸收 裝置的時候才能切割鋁材 否則反射會毀壞光學組件 3 4激光脈沖模式 1 連續(xù)切割也稱為CW ContinuousWave 切割法 連續(xù)切割法是使振蕩輸出連續(xù)地發(fā)生從而進行切割的方法 在切割低碳鋼時 是切割速度最高的方法 2 脈沖切割法是使振蕩輸出間斷地發(fā)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(zhì)量以及尺寸精度良好的加工 進行脈沖切割時 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(nèi)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 3 簡單點說 連續(xù)切割是優(yōu)勢在于速度 但切割質(zhì)量不太好 由于對被切割材料連續(xù)的熱量輸入變成過度的熱量輸入 影響切割質(zhì)量 尺寸精度 而脈沖切割切割質(zhì)量好 但速度上要比連續(xù)切割慢 打個比方 用4000的發(fā)生器 CW切割12mm的低碳鋼速度1800mm min 但脈沖只有1000mm min 越是薄的板這個差距越大 一般如果鋼板的厚度超過16mm CW切割就不太適用了 選擇切割方式的操作 一般是做程序時會選擇 也可以在機器上面改變機器的參數(shù)來選擇 3 5氣體參數(shù) 氣體參數(shù)包括 氣體類型 氣壓 噴嘴直徑和幾何結(jié)構(gòu)氣壓和噴嘴幾何結(jié)構(gòu)決定了邊緣粗糙度和毛刺的生成 加工氣體消耗取決于噴嘴直徑和氣壓 關(guān)于加工氣體的更多信息在 維修保養(yǎng)手冊 氣體控制 章節(jié)里 切割氣壓在5bar以下為低壓 達20bar為高壓 常用的切割噴嘴為錐體狀的圓形口 保持噴嘴和工件表面之間的間距盡可能的小是必要的 距離越小 有效沖擊割縫壁的氣體質(zhì)量就越高 經(jīng)常使用0 5到1 5之間的間距 四 激光加工 4 1穿孔穿孔的參數(shù)值不同于切割的參數(shù)值 連續(xù)模式穿孔優(yōu)點 快速穿孔 缺點 產(chǎn)生穿孔坑 脈沖模式穿孔優(yōu)點 小的穿孔洞 缺點 耗時注意 板材厚度 mm 大約對應于穿孔時間 s 如果板材切掉的部分和剩余部分都要 就直接在輪廓上使用脈沖穿孔功能 4 2碳鋼的起切和結(jié)束切穿孔通常用CW模式 該類型穿孔更快 但它產(chǎn)生一個比用脈沖穿孔更大的孔 由于此原因 起切穿孔的位置通常選在輪廓外邊 穿孔和實際輪廓之間的切割長度稱作起切部分 激光光束焦點在起切部分末端和輪廓之間的可能變化 通過工件上切口邊緣的不平 是可以辨別出來的 用戶必須盡可能地把起切部分設在幾何單元一側(cè)的理想伸展線上 在小表面內(nèi)輪廓情況下 讓穿孔過程中產(chǎn)生的熱在開始切割之前散發(fā)掉非常重要 避免把穿孔設在狹窄的區(qū)域 而設成相對輪廓成大角度 這有利于熱散發(fā) 起切長度取決于板材厚度和孔的直徑 4 3拐角的加工 有半徑的鈍角的加工 在可能的地方 避免無半徑的拐角 有半徑拐角與無半徑的相比有以下優(yōu)點 軸移動的動態(tài)性能更好 熱影響區(qū)減少 毛刺的產(chǎn)生更少最優(yōu)倒圓半徑 R最優(yōu) 板材厚度 mm 除以10 但不小于1mm當內(nèi)板材上要求無半徑拐角時 最大半徑 R邊緣 切口寬度的一半有了這種光束 仍然可以產(chǎn)生無半徑的拐角 而現(xiàn)在 軸動態(tài)地移動 在薄板上高速切割時 建議使用孔眼技術(shù) 這種解決方法有以下優(yōu)點 軸以固定的方向變化經(jīng)過尖角 工件本身以恒速切割 減少了拐角處的熱影響 五 工藝試驗 5 1脈沖模式切割對某些模型使用脈沖模式激光切割 1到6mm厚的板材 切割速率大約比CW模式低60 1到6mm厚的板材更適合脈沖切割 另一方面 8到12mm的板材用脈沖模式更難加工 不要用脈沖模式切割內(nèi)部工件 5 2無氧化切割不銹鋼對于孔和其它剪切塊 推薦把從起切到加工輪廓的過渡塊設為適當?shù)膱A弧 5 3無氧化切割木材和鋁孔的起切起切的長度取決于板材厚度和孔的直徑 5 4評估切口 六 注意事項 為了達到最佳加工質(zhì)量 請遵守以下指示 精密調(diào)整機床 按照維護計劃進行維護 遵照上述要求加工 工件表面無鐵銹或氧化皮 酸洗過的或平滑的 參數(shù)與材料和板材規(guī)格匹配 預設互相關(guān)聯(lián)的參數(shù) 當注意到加工質(zhì)量降低時 檢查以下因數(shù) 參數(shù)加工頭光束路徑激光器參數(shù)不要修改機床購買時設置的標準參數(shù) 為優(yōu)化過的參數(shù)創(chuàng)建一個新的目錄 如果加工質(zhì)量惡化了 就檢查看存在機器上的標準參數(shù)相對優(yōu)化的參數(shù)是否已經(jīng)有了實質(zhì)性的改變 材料表面質(zhì)量會嚴重影響激光切割質(zhì)量 原材料必須做好防銹 防臟防護 在有銹蝕 表面油漆 臟 表面不平整等情況下 材料需進行處理后 才可以激光切割機上切割 操作員遵守下列原則 可以獲得最佳的切割質(zhì)量 根據(jù)材料厚度 材質(zhì)使用標準的切割參數(shù) 當切割質(zhì)量下降時 參照標準切割參數(shù)進行調(diào)整 調(diào)整的主要參數(shù)有激光功率 氣體壓力 焦點位置 切割速度 操作員不要改寫隨機的標準參數(shù)文件 但應建立自己的參數(shù)文件和參數(shù)文件目錄 不斷總結(jié)經(jīng)驗 通常用連續(xù)模式穿孔 速度快 但是比脈沖穿孔大 如果切割工件和剩余料都要利用時 可在圖形輪廓上脈沖穿孔 激光工作模式有連續(xù)模式 脈沖模式 調(diào)制模式 連續(xù)模式應用于正常切割 脈沖模式應用于加工小于材料厚度的小孔及穿孔 調(diào)制模式應用于切割小尖角 避免尖角部位不會過燒 下小料時切割前穿孔后的散熱非常重要 避免讓切入線和工件狹小部位相連 要和圖形有足夠的夾角 會利于散熱 激光切割機最大切割板材的尺寸為3000 1500 激光切割機最大切割能力為碳鋼20mm 不銹鋼12mm 鋁合金8mm 切割最小孔的直徑為一倍板厚 切割6mm以上的厚板 表面應涂油或噴油切割 油膜可避免穿孔時材料飛濺 利于切割 激光氣體和切割氣體的等級應滿足下列標準才能正常切割 各種氣體的輸出壓力應保證在下列范圍內(nèi) 激光氣體均大于等于5bar 切割氣體中 氧氣的輸出壓力應小于等于15bar 氮氣的輸出壓力應小于等于30bar 更換氣體時 應嚴格按照 激光切割機操作規(guī)程 中的步驟進行 不可將氣體混合使用 定期觀察激光發(fā)生器變頻空調(diào)管道是否有水流出 判定設備是否正常運行 有水流為正常 切割鋁板時 禁止使用O2切割 切割8mm及8mm以上的碳鋼板時 只允許用O2切割 8mm以下碳鋼板可用O2或N2切割 切割12mm的不銹鋼板時 只允許用N2切割 12mm以下不銹鋼板可用O2或N2切割 選用切割用噴嘴 須選用與標準參數(shù)一致或僅大一號的噴嘴 欲切割木板 有機玻璃及陶瓷等非金屬材料 需與百超公司商榷有關(guān)工藝 激光切割機安全操作規(guī)程1 遵守一般切割機安全操作規(guī)程 嚴格按照激光器啟動程序啟動激光器 2 操作者須經(jīng)過培訓 熟悉設備結(jié)構(gòu) 性能 掌握操作系統(tǒng)有關(guān)知識 3 按規(guī)定穿戴好勞動防護用品 在激光束附近必須佩帶符合規(guī)定的防護眼鏡 4 在未弄清某一材料是否能用激光照射或加熱前 不要對其加工 以免產(chǎn)生煙霧和蒸氣的潛在危險 5 設備開動時操作人員不得擅自離開崗位或托人待管 如的確需要離開時應停機或切斷電源開關(guān) 6 要將滅火器放在隨手可及的地方 不加工時要關(guān)掉激光器或光閘 不要在未加防護的激光束附近放置紙張 布或其他易燃物 7 在加工過程中發(fā)現(xiàn)異常時 應立即停機 及時排除故障或上報主管人員 8 保持激光器 床身及周圍場地整潔 有序 無油污 工件 板材 廢料按規(guī)定堆放 9 使用氣瓶時 應避免壓壞焊接電線 以免漏電事故發(fā)生 氣瓶的使用 運輸應遵守氣瓶監(jiān)察規(guī)程 禁止氣瓶在陽光下爆曬或靠近熱源 開啟瓶閥時 操作者必須站在瓶嘴側(cè)面 10 維修時要遵守高壓安全規(guī)程 每運轉(zhuǎn)40小時或每周維護 每運轉(zhuǎn)1000小時或每六個月維護時 要按照規(guī)定和程序進行 11 開機后應手動低速X Y方向開動機床 檢查確認有無異常情況 12 對新的工件程序輸入后 應先試運行 并檢查其運行情況 13 工作時 注意觀察機床運行情況 以免切割機走出有效行程范圍或兩臺發(fā)生碰撞造成事故