激光切割机工艺手册

第一章激光切割方法

1.1 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。

1.2 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。由于此效应，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。

1.3 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。

——在板材厚度一定的情况下，最大切割速度反比于材料的气化温度。

——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。

第二章加工过程

“加工过程”指激光光束、加工气体和工件之间的相互作用。

2.1 切割过程

该过程发生的区域是切割之前。作用在该切割之前的激光必须加热工件到把材料熔化和气化所需的温度。

切割平面由一个几乎垂直的平面组成，该平面被吸收的激光辐射加热并熔化。

——在激光火焰切割中，该熔化区被进入割缝的氧气流进一步加热，达到接近沸点的温度。产生的气化把材料移走。同时，借助于加工气体，液化材料从工件下部排出。

——在激光熔化切割中，液化材料随气体排出，该气体也保护割缝以防氧化。连续的熔化区沿着切割方向逐渐滑移。因而得到一条连续割缝。

激光切割过程的许多重要活动发生在该区域。对这些活动的分析可以得到激光切割的重要信息。

这样，就可以计算切割速度并解释牵引线特性的形成。

2.2 材料特性

在工件上进行切割活动的结果可能是整洁的切口，或者相反，边缘粗糙或过烧。

影响切割质量最重要的因数是：

——合金成份

——材料的微观结构

——表面质量

——表面粗糙度

——表面处理

——光束反射

——热传导率

——熔点

——热熔解

——气化温度

合金成份

合金成份在一定程度上影响着材料的强度、比重、可焊接性、抗氧化能力和酸性。铁合金材料中的一些重要元素有：碳、铬、镍、镁和锌。

碳含量越高，材料越难切（临界值认为是含碳0.8％）。以下型号碳钢用激光切割效果是很好的：

St 37-2，StW 22，DIN 1.203。

材料的基本微观结构

一般来说，组成材料的颗粒越细，切割边缘的质量越好。

表面质量和粗糙度

如果表面有生锈区域或氧化层，那么切割的轮廓将不规则并出现许多破损点。

如果要切割波纹板，就选择最大厚度切割参数。

表面处理

最常用的表面处理有镀锌、聚焦镀锌、涂漆、阳极电镀或覆盖分层塑料胶片。

——用锌处理过的板材易于在边缘出现挂渣。

——对于涂漆的板材，切割质量依赖于所涂产品成份的组成。

如何进行涂漆材料的加工：

第一趟选择一组功率小（雕刻）的用于对处理表面作预烧打标的参数。

第二趟选择一组用于材料切割的参数。

有分层材料涂层的板材非常适合激光切割。为了使电容式探测无故障工作，让分层涂层得到最优粘合，（避免产生浮泡），分层边必须总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决于基本材料、表面粗糙度和处理。一些铝合金、铜、黄铜和不锈钢板材具有高反射率的特点。

切割这些材料时，要特别注意调节好焦点位置。

热传导率

焊接时，低热传导率的材料，和高热传导率的材料相比，需要更小的功率。

比如，对于铬镍合金钢，所需的功率要小于结构钢的，对加工产生的热的吸收也更少。

另一方面，比如铜、铝和黄铜这些材料散失掉一大部分通过吸收激光产生的热。因为热从光束目标点处传导开了，所以热影响区的材料更难熔化了。

热影响区

激光火焰切割和激光熔化切割会导致切割材料边缘区域发生材料变异。

关于热影响区域的范围与基本材料和材料厚度的之间关系，下表列出了一些参考数值。