大功率激光切割工艺手册-2007版

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(^_^)∠※目录第1章激光加工导论 (4)1.1 激光加工的种类 (5)1.2 激光加工的优势与特点 (6)1.3 CW(连续波)输出和脉冲输出 (6)1.4 辅助气体流动的基本特性 (8)1.4.1 各种加工和辅助气体的作用 (8)1.4.2 适合加工目的的喷嘴 (9)1.5 激光切割方法 (12)1.5.1 激光熔化切割 (12)1.5.2 激光火焰切割 (12)1.5.3 激光气化切割 (13)第2章激光切割的基础 (14)2.1 激光切割的原理 (14)2.1.1 激光切割的机理 (14)2.1.2 加工气体(辅助气体)的作用 (15)2.1.3 加工气的种类 (16)2.2 加工质量 (17)2.2.1 加工精度 (17)2.2.2 关于尺寸变化 (17)2.2.3 金属切割中的坡度 (19)2.2.4 切断面的粗糙度 (20)2.2.5 热影响 (22)2.2.6 沾渣 (23)2.2.7 缺口 (24)2.2.8各种加工条件参数 (25)第3章激光切割的实际操作 (26)3.1 穿孔的难度 (26)3.1.1 穿孔的原理 (26)3.1.2 对付穿孔中出现缺陷的四个原则 (27)3.1.3 适当的穿孔条件 (30)3.1.4 防止在对不锈钢进行穿孔时出现须状物 (30)3.1.5 高反射材料穿孔时的注意事项 (31)3.3 提高加工精度的方法 (32)3.3.1 用程序修正热变形 (32)3.3.2 防止厚板切割过程中终端部分的熔损 (32)3.4.3 检查光轴偏离的简单方法 (34)3.4.4 热透镜作用造成加工不良的初步判断方法 (35)3.4.5热透镜作用造成加工不良的进一步判断方法 (37)第1章激光加工导论激光加工就是将具有高能量密度的、被聚集到微小空间的激光用于加工的方法。

激光加工能够适用的领域有切割、打孔、熔接、热处理等。

不同的加工，只要简单地调节被加工物体表面的激光能量密度和辅助气体的条件就能够进行。

图1.1中表示用透镜来进行激光加工时，对加工性能带来影响的各种因素。

影响激光加工性能的因素：1-激光光束(输出形态，波长，输出，比例，频率，激光模形。

2-加工透镜(焦点距离)3-焦点光束(尺寸，焦点位置，焦点深度)4-喷嘴(直径，形状，位置)5-辅助气体(气体压力，气体种类，气体流量)1.1 激光加工的种类激光加工是根据照射到被加工物表面上激光的能量密度和辅助气体的作用而进行各种加工的。

图1—2表示了聚焦激光照射时间和根据照射而变化的被加工物表面温度的关系。

1.2 激光加工的优势与特点①由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。

②它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料。

③激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。

④激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有影响或影响极小。

因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。

⑤它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。

⑥由于激光束易于导向、聚集实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法。

⑦使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。

1.3 CW(连续波)输出和脉冲输出激光输出功率的形态如图1-8所示，分为CW输出功率和脉冲输出功率两种。

CW输出功率是连续发出激光光束的形态，而脉冲输出功率是通过比例和频率的组合，可以产生无数个条件。

CW输出功率也是比例为100％的脉冲输出功率之一。

(1)比例(％)：脉冲输出功率重复光束的0n·Off，并且可以任意变化0n·0ff时间比率。

比例的值表示1脉冲时间里的光束On时间所占的百分比。

(2)频率(Hz)：Is发出的脉冲数，一般可在10～3000Hz范围内变化。

频率的适合值由加工速度的关系决定，低速加工时设定的频率低，高速加工时设定的频率高．(3)平均输出功率(W)：平均输出功率表示换算成CW输出功率时是多少瓦特。

脉冲输出功率的条件设定中，所说的输出功率指的是平均输出功率。

’设备控制画面表示的加工中的输出功率就是平均输出功率。

(4)峰值输出功率(W)：观察脉冲输出功率的一个脉冲，某一瞬间比CW输出功率高的输出功率，这个输出功率叫峰值输出功率。

图1-9表示了峰值输出功率3000W，平均输出功率600W，比例20％，频率200Hz的关系。

1.4 辅助气体流动的基本特性激光照射的同时，从喷嘴向被加工件喷射的辅助气体，对于加工品质及加工性能的提高起着重要的作用。

1.4.1 各种加工和辅助气体的作用从喷嘴向被加工物喷射与激光同一方向的辅助气体，如表l-2所示，加工的种类和加工对象不同时，气体的种类以及控制方法也不同。

表1-2加工和辅助气体的关系切割铁时，使用氧气作为辅助气体可以使铁燃烧，利用其氧化反应热进行高效率的加工。

但是这种方法会在切割面上产生氧化膜，为了防止产生氧化膜，而使用氮气进行无氧化切割。

无氧化切割主要用于不锈钢的切割。

为了减少辅助气体的成本有时会采用空气。

在切割钛时，为了防止氧化或氮化有时也用氩气。

在熔接和淬火中为了防止氧化，几乎全部使用氩气进行加工。

以上各种辅助气体的控制：在比较高的压力使用条件下，进行压力控制；在低压力使用条件下，进行流量控制。

1.4.2 适合加工目的的喷嘴为了充分发挥从喷嘴喷射的辅助气体的作用，有必要选择合适的喷嘴。

如图l-11所示，从喷嘴喷出的气体浓度，随着与喷嘴距离的增加逐渐变低。

这是由于从喷嘴喷出的气体卷入了周围的空气。

为了尽量长距离维持从喷嘴喷射的气体浓度，必须提高辅助气体的压力，增加流量，或增大喷嘴孔径。

气体喷射后保持喷嘴内压力的领域 (势能区)也与上述浓度变化有相同的倾向。

这个势能区的特性是影响需要高压气体进行无氧化切割的加工品质的重要因素。

表l-3是考虑以上的特性和最小的气体成本，汇集整理出的各种加工中最合适的喷嘴。

图1-11 从喷嘴射出的辅助气体的浓度变化表1．3各种加工和合适喷嘴的关系图1．12辅助气体的气压和流量的关系1.5 激光切割方法1.5.1 激光熔化切割在激光熔化切割中，工件被局部熔化后借助气流把熔化的材料喷射出去。

因为材料的转移只发生在其液态情况下，所以该过程被称作激光熔化切割。

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。

——激光熔化切割可以得到比气化切割更高的切割速度。

气化所需的能量通常高于把材料熔化所需的能量。

在激光熔化切割中，激光光束只被部分吸收。

——最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，限制因数就是割缝处的气压和材料的热传导率。

——激光熔化切割对于铁制材料和钛金属可以得到无氧化切口。

——产生熔化但不到气化的激光功率密度，对于钢材料来说，在104W/cm²～105 W/cm²之间。

1.5.2 激光火焰切割激光火焰切割与激光熔化切割的不同之处在于使用氧气作为切割气体。

借助于氧气和加热后的金属之间的相互作用，产生化学反应使材料进一步加热。

对于相同厚度的结构钢，采用该方法可得到的切割速率比熔化切割要高。

另一方面，该方法和熔化切割相比可能切口质量更差。

实际上它会生成更宽的割缝、明显的粗糙度、增加的热影响区和更差的边缘质量。

——激光火焰切割在加工精密模型和尖角时是不好的（有烧掉尖角的危险）。

可以使用脉冲模式的激光来限制热影响。

——所用的激光功率决定切割速度。

在激光功率一定的情况下，限制因数就是氧气的供应和材料的热传导率。

1.5.3 激光气化切割在激光气化切割过程中，材料在割缝处发生气化，此情况下需要非常高的激光功率。

为了防止材料蒸气冷凝到割缝壁上，材料的厚度一定不要大大超过激光光束的直径。

该加工因而只适合于应用在必须避免有熔化材料排除的情况下。

该加工实际上只用于铁基合金很小的使用领域。

该加工不能用于，象木材和某些陶瓷等，那些没有熔化状态因而不太可能让材料蒸气再凝结的材料。

另外，这些材料通常要达到更厚的切口。

——在激光气化切割中，最优光束聚焦取决于材料厚度和光束质量。

——激光功率和气化热对最优焦点位置只有一定的影响。

——所需的激光功率密度要大于108W/cm2，并且取决于材料、切割深度和光束焦点位置。

——在板材厚度一定的情况下，假设有足够的激光功率，最大切割速度受到气体射流速度的限制。

第2章激光切割的基础2.1 激光切割的原理激光切割具有切口窄，对周围产生的热影响小，可进行高精度切割的特点。

但是，切口窄也存在一些问题，因此需要注意与燃气切割及等离子切割等热加工法区别开来。

2.1.1 激光切割的机理仅凭激光束能量来进行激光加工，其能力是极其有限的。

而将氧气等活性气体的化学反应热用于切割，或者利用高压气体来排除熔融金属的效果，则可以大幅度提高切割能力。

如图2－2所示，激光切割的构成是用激光能量加工的第一条痕区域和上部的熔融金属为热源利用氧气的二次氧化燃烧反应进行加工的第二条痕区域。

因此，切割速度越大，加工板材越厚，第二条痕部的牵引线就越滞后于加工后部。

但是，如果在上部消耗所有激光，加工质量就会降低，因此，一般的加工条件需要设定成让激光从下部漏掉10％～20％。

切割面第一条痕部分相当于熔接能力的熔化深度，第二条痕是由氧化反应引起的加工能力的扩大部分。

2.1.2 加工气体(辅助气体)的作用加工气体的作用是从切口排出氧化反应所产生的热量和熔融金属，在提高加工能力的同时，也保证了良好的加工质量，另外，它还有冷却透镜和防止透镜被污染的作用。

如图2-3所示，如果透镜上附着了飞溅物，则通过那一部分的激光就被吸收，透镜的温度就会上升，光束集光特性就会恶化。

这一现象被称做热镜作用，这也是造成加工不良的最大原因。

透镜持续污染，不但会出现加工不良，还会有造成透镜破损的危险。

图2-3 透镜不清洁而引起的热镜作用1-激光 2-吸收激光产生热量3-附着 4-熔渣飞溅5-金属蒸气 6-聚光透镜2.1.3 加工气的种类1．氧气主要用于碳钢切割。

利用氧化反应热大幅度提高切割效率的同时，产生的氧化膜会提高反射材料的光束光谱吸收因数。

[适用材料]一般构造用压延钢材、熔接构造用压延钢材、机械构造用碳钢、高张力板、工具板、不锈钢、电镀钢板、铜、铜合金等。