激光切割機工藝手冊

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武漢楚天工業(yè)激光設備有限公司 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。 ——激光熔化切割可以得到比氣化切割更高的切割速度。氣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/cm2～105 W/cm2之間。 1.2 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）?？梢允褂妹}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。 1.3 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(lǐng)域。 該加工不能用于，象木材和某些陶瓷等，那些沒有熔化狀態(tài)因而不太可能讓材料蒸氣再凝結(jié)的材料。另外，這些材料通常要達到更厚的切口。 ——在激光氣化切割中，最優(yōu)光束聚焦取決于材料厚度和光束質(zhì)量。 ——激光功率和氣化熱對最優(yōu)焦點位置是有一定的影響。 ——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。 ——所需的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。 第二章 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。 2.1 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。 2.2 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 ——材料的微觀結(jié)構(gòu) ——表面質(zhì)量 ——表面粗糙度 ——表面處理 ——光束反射 ——熱傳導率 ——熔點 ——熱熔解 ——氣化溫度 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： St 37-2，StW 22，DIN 1.203。 材料的基本微觀結(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)量和粗糙度 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?。ǖ窨蹋┑挠糜趯μ幚肀砻孀黝A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。 關(guān)于熱影響區(qū)域的范圍與基本材料和材料厚度的之間關(guān)系，下表列出了一些參考數(shù)值。 材料厚度[mm] 熱影響區(qū)域 [mm] St 37 碳鋼 鋁 1 0.05 0.05 0.10 2 0.10 0.10 0.20 3 0.15 0.15 0.30 4 0.20 0.35 0.40 5 0.25 0.34 0.50 6 0.30 0.55 0.60 8 0.40 0.75 0.70 10 0.50 0.85 ------ 12 0.60 ------ ------ ——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（比如Ck60），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。 2.3 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 Si <0.25％：某些情況下會得到稍微差點的切口 Si >0.25％：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叩那懈钏俣取? ——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。 鈦 鈦板材用氬氣和氮氣作為加工氣體來切割。其它參數(shù)可以參考鎳鉻鋼。 銅和黃銅 ——兩種材料都具有高反射率和非常好的熱傳導性。 ——厚度1mm以下的黃銅可以用氮氣切割。 ——厚度2mm以下的銅可以切割，加工氣體必須用氧氣。 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銅和黃銅。否則反射會毀壞光學組件。 合成材料 危險：切割合成材料時要牢記切割的危險和可能排放的危險物質(zhì)。 可加工的合成材料有：熱塑性塑料、熱硬化材料和人造橡膠。用激光切割機來加工PVC或聚乙烯是不行的，因為釋放的氣體是有毒的。對于這兩種材料，最好使用水壓切割。 丙烯酸玻璃可以用激光切割。氮氣用作加工氣體，氣壓必須低于0.5bar。這樣可以得到平滑的切割表面。 有機物 危險：在所有有機物切割中都存在著著火的危險（用氮氣作為加工氣體，也可以用壓縮空氣作為加工氣體）。 木材、皮革、紙板和紙可以用激光切割。切割邊緣會燒焦（褐色）。進給速度越高，碳化越少。當加工膠合板時，不可能保證會有潔凈的切口，因為每層膠根據(jù)其類型和種類而成份不同。 其它材料 有關(guān)您感興趣的其它材料的信息可以從我公司的用戶工程服務部門得到。 材料的可切割厚度 （生產(chǎn)值mm） 最大可以切割的厚度只在最優(yōu)的機床和參數(shù)調(diào)整的情況下才有可能 （最大值mm） 2.4 激光脈沖模式 模式 表示符號 應用 例子 連續(xù)模式 CW －低壓切割 －普通切割 －高壓切割 →結(jié)構(gòu)鋼用O2 →鋁用N2 →不銹鋼用N2 恒定功率切可得到相對精密的切割。 門脈沖 GP －穿孔 －細小輪廓 →以結(jié)構(gòu)鋼為例： －輪廓上的小孔 －小孔直徑為材料厚度的一半 －細輪廓 超脈沖 SP －穿孔 －高反射率的材料 →銅用N2 →不銹鋼用O2 →耐熱的碳鋼用O2 增加激光功率用100％CW＋超脈沖（Inox＋鋁合金用N2）。 超強脈沖 HP －穿孔 穿孔時，效果和增加頻率得到的相對： →厚板的快速穿孔，有少量碎屑 →鋅鋼用O2 2.5 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。第三章 激光加工 3.1 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。 3.2 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 3.4 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： 薄板上的尖角采用孔眼 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。 第四章 工藝試驗 4.1 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 4.2 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。 4.3 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。 4.4 柵格 柵條可以由不同的金屬造成。銅柵條壽命最長，因為它對熱應力抵抗力最強。熔渣很容易去掉。銅的高反射率對于切割薄板和小孔（孔不精確）或無氧化切割（產(chǎn)生等離子體，干擾光束）有負面影響。碳鋼和V2A是對切割過程干擾最小的材料。 碳鋼和V2A柵條可以由客戶自己切割。切割的設計在PC機的硬盤上。柵條的壽命取決于加工過程中所用的激光功率。 碳鋼的優(yōu)點：經(jīng)濟 V2A的優(yōu)點：由于此材料的類型，濺射的材料不會氧化到柵格上。 建議：用O2切割柵條。 4.5 評估切口 結(jié)構(gòu)鋼：用O2切割 缺陷 可能原因 解決辦法 無毛刺，牽引線一致 功率合適 進給速率合適 底部的牽引線有很大的偏移，底部的切口更寬 進給速率太高 激光功率太低 氣壓太低 焦點太高 減小進給速率 增加激光功率 加大氣壓 降低焦點 底面上的毛刺類似熔渣，成點滴狀并容易除去 進給速率太高 氣壓太低 焦點太高 減小進給速率 加大氣壓 降低焦點 連在一起的金屬毛刺可以作為一整塊被除去 焦點太高 降低焦點 底面上的金屬毛刺很難除去 進給速率太高 氣壓太低 氣體不純 焦點太高 減小進給速率 加大氣壓 使用更純的氣體 降低焦點 只在一邊上有毛刺 噴嘴對中不正確 噴嘴口有缺陷 對中噴嘴 換噴嘴 結(jié)構(gòu)鋼：用O2切割 缺陷 可能原因 排除 材料從上面排出 功率太低 進給速率太高 增加功率 減小進給速率 傾斜面切割 兩面好，兩面差 極化反射鏡不合適，安裝不正確或有缺陷 極化反射鏡安裝在了偏轉(zhuǎn)鏡的位置 檢查極化反射鏡 檢查偏轉(zhuǎn)鏡 藍色等離子體，工件未切透 加工氣體錯誤（N2） 進給速率太高 功率太低 使用氧氣作為加工氣體 減小進給速率 增加功率 切割表面不精密 氣壓太高 噴嘴損壞了 噴嘴直徑太大 材料不好 減小氣壓 更換噴嘴 安裝合適的噴嘴 使用表面平滑均勻的材料 無毛刺，牽引線傾斜 切口在底部變得更狹窄 進給速率太高 減小進給速率 結(jié)構(gòu)鋼：用O2切割 缺陷 可能原因 排除 產(chǎn)生彈坑 氣壓太高 進給速率太低 焦點太高 板材表面有銹 加工的工件過熱 材料不純 減小氣壓 增加進給速率 降低焦點 使用質(zhì)量更好的材料 非常粗糙的切割表面 焦點太高 氣壓太高 進給速率太低 材料太熱 降低焦點 減小氣壓 增加進給速率 冷卻材料 不銹鋼：用N2高壓切割 缺陷 可能原因 解決辦法 產(chǎn)生點滴狀的細小規(guī)則毛刺 焦點太低 進給速率太高 抬高焦點 減小進給速率 兩邊都產(chǎn)生長的不規(guī)則的細絲狀毛刺，大板材的表面變色 進給速率太低 焦點太高 氣壓太低 材料太熱 增加進給速率 降低焦點 加大氣壓 冷卻材料 只在切割邊緣的一邊產(chǎn)生長的不規(guī)則的毛刺 噴嘴未對中 焦點太高 氣壓太低 速度太低 對中噴嘴 降低焦點 加大氣壓 提高速度 切割邊緣發(fā)黃 氮氣里含有氧氣雜質(zhì) 使用質(zhì)量好的氮氣 在直線截面上產(chǎn)生等離子體 進給速率太高 功率太低 焦點太低 減小進給速率 增加功率 抬高焦點 光束分散 進給速率太高 功率太低 焦點太低 減小進給速率 增加功率 抬高焦點 拐角處產(chǎn)生等離子體 角度公差太高 調(diào)制太高 加速度太高 減小角度公差 減小調(diào)制或加速度 不銹鋼：用N2高壓切割 光束在開始處發(fā)散 加速度太高 焦點太低 熔化的材料未能排出 減小加速度 抬高焦點 穿圓孔 切口粗糙 噴嘴損壞了 透鏡臟了 更換噴嘴 清洗透鏡，如果需要就更換 材料從上面排出 功率太低 進給速率過大 氣壓太高 增加功率 減小進給速率 減小氣壓 鋁合金：用N2高壓切割 缺陷 可能原因 解決辦法 兩邊都產(chǎn)生長的不規(guī)則的細絲狀毛刺，很難除去 焦點太高 氣壓太低 進給速率太低 降低焦點 加大氣壓 增加進給速率 兩邊都產(chǎn)生長的不規(guī)則的毛刺，可手工除去 進給速率太低 增加進給速率 切口粗糙 噴嘴直徑太大 噴嘴損壞了 氣壓太高 安裝合適的噴嘴 更換噴嘴 減小氣壓 產(chǎn)生細小的有規(guī)則的毛刺，很難除去 焦點太低 進給速率太高 抬高焦點 減小進給速率 在直線截面上產(chǎn)生等離子體 進給速率太高 焦點太低 減小進給速率 抬高焦點 光束分散 進給速率太高 減小進給速率 拐角處產(chǎn)生等離子體 角度公差太高 調(diào)制太高 加速度太高 減小角度公差 減小調(diào)制或加速度 光束在開始處發(fā)散 進場速度太高 焦點太低 減小進場速度 抬高焦點 切口粗糙 噴嘴損壞了 更換噴嘴 材料從上面排出 功率太低 進給速率過大 增加功率 減小進給速率 第五章 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)： 1. 參數(shù) 2. 加工頭 3. 光束路徑 4. 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。 16