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钣金加工中激光切割的工艺及分类

信息来源:zytimes.cn   2022-03-17 13:43:40

人们对光能聚焦会产生巨大能量的认识由来已久,从我国古代的削冰取火,到阿基米德凹镜烧船驱敌,无一不是利用这一特点,今天介绍的激光切割亦是如此。    

激光切割几乎是当前世界上较先 进的切割工艺,能切割大多数金属和非金属材料,不管你身处汽车行业、工程机械、家电行业等随处都能见到它的应用。它具备精密制造、柔性切割、异形加工、一次成型、速度快、效率高等优点,能解决许多常规方法无法解决的难题。本期小编就和大家一起聊聊激光切割那些事。


钣金加工中激光切割的工艺及分类

一、激光切割原理及分类

(一)激光切割原理

激光切割是利用激光发生器所发出的激光束,经透镜聚焦后在焦点处聚成一极小的高能量光斑,使光斑聚焦在材料合适位置,被材料吸收激光能量,迅速汽化、熔融、烧蚀或者达到燃点,并配合高压辅助气体(有二氧化碳气体,氧气,氮气等)吹走熔化废渣的过程。激光头由程控的伺服电机驱动下,切割头按照预定路线运动随着光束在材料上的移动,从而切割出各种形状的工件。       

(二)激光切割的分类

光有红橙黄绿,可以物体吸收,也可以被反射;激光也是光,根据波长不同也会体现不同的特性。激光发生器的增益介质(就是能把电能转化成激光的媒介)决定了激光波长、输出功率和应用领域。激光器的增益介质可以分为气体、液体和固体。

1. 气体中具有代表性的是CO2气体激光器;

2. 固体中具有代表性的包括光纤激光器和YAG激光器、红宝石激光器、半导体激光器等;

3. 液体激光器是利用某些液体(通常是有机溶剂,如染料)作为产生激光的工作媒介,发射出激光。

不同的切割对象材料,能够吸收的激光波长不同,需要适配合适的激光发生器。目前汽车行业应用较广泛的还是光纤激光发生器。

(三)激光切割方式分类

主要分为熔化切割、氧化切割、汽化切割、导向断裂切割等。下表为常见的切割方法分类,其中熔化切割和氧化切割尤为常见,下面会着重讲一下这两种切割方法,对于另外两种切割方法,有兴趣的同学可以自行研究。

1、激光熔化切割

激光熔化切割时,用激光加热使金属材料熔化,然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体(Ar、He、N等),依靠气体的强大压力使液态金属排出,形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化,所需能量只有汽化切割的1/10。

1)  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,而气体本身不参于切割。

2)  较大切割速度随着激光功率的增加而增加,随着板材厚度的增加和材料熔化温度的增加而几乎反比例地减小。在激光功率一定的情况下,限制因素就是割缝处的气压和材料的热传导率。

2、激光氧化切割

激光氧化切割原理类似于氧乙炔切割。它是用激光作为预热热源,用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用,发生氧化反应,放出大量的氧化热;另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出,在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热,所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2,而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。氧化切割过程存在两个热源:激光束照射能和化学反应所产生的热能。据估计,切割碳钢时,氧化反应所产生的热能占切割所需能量的60%。

在氧化切割过程中,如果氧化燃烧的速度高于激光束移动的速度,割缝将变宽且粗糙,反之,如果移动速度慢,则割缝窄而光滑。

总结:选择切割方法,需考虑它们的特点和板件的材料,有时也要考虑切割的形状。

激光汽化切割相对熔化需要更多的热量,适用于极薄的金属材料及非金属材料的切割。

激光氧化切割则借助氧气与金属的反应热使速度更快,切缝质量相对较差,适用于厚板切割。

激光熔化切割因为保护气的使用,防止熔渣飞溅,割缝平整,切割质量好,汽车钣金行业应用较广。

另外,熔化切割和气化切割可获得无氧化切缝,对于有特殊要求的切割有重要意义。