金屬加工技術

淺談激光切割在鈑金行業的運用

轉載 :  zaoche168.com   2019年04月28日

 

鈑金車間傳統加工方式包括剪板、沖裁和折彎等工藝流程。其中沖裁工藝需要大量的模具,具有少切削及無切削工藝特征。在一個產品加工時一般會配備幾十套模具,甚至有的產品可能需要上百套模具。

 

        鈑金車間傳統加工方式包括剪板、沖裁和折彎等工藝流程。其中沖裁工藝需要大量的模具,具有少切削及無切削工藝特征。在一個產品加工時一般會配備幾十套模具,甚至有的產品可能需要上百套模具。從經濟角度上看,配備大量的模具,產品的成本相應增加,造成資金浪費。為適應現代鈑金加工,降低生產成本和提高加工工藝,激光加工技術便應運而生。
        隨著激光切割機的應用,鈑金加工工藝得到了飛速發展,并給鈑金制作加工帶來了革命性理念。激光切割工藝以及激光切割機設備正在被廣大板材加工企業所熟悉接受,并以其加工效率高、加工精度高、切割斷面質量好、可進行三維切割加工等諸多優勢逐步取代傳統鈑金切割設備(以數控設備為主,包括剪床、沖床、火焰切割、等離子切割、高壓水切割等傳統的板材加工設備)。激光加工技術在鈑金加工工藝中具有很重要的位置,提高了鈑金工藝勞動生產率,推動了鈑金工藝的發展。激光切割機柔性化程度高,可以大大地縮減加工周期,切割速度快,出產效率高,提高加工精度,加快產品的開發速度,這些優點被眾多制造企業關注。
        激光切割機是將激光器發射出的激光,經光路系統,聚焦成高功率密度的激光束。激光束照射到工件表面,使工件達到熔點或沸點,同時與光束同軸的高壓氣體將熔化或氣化金屬吹走。隨著光束與工件相對位置的移動,最終使材料形成切縫,從而達到切割目的。激光切割加工是用不可見的光束代替了傳統的機械刀,具有精度高、切割快速、不受切割圖案限制、自動排版節省材料、切口平滑、加工成本低等特點,將逐漸改進或取代傳統金屬切割設備。激光刀頭的機械部分與工件無接觸,在工作中不會對工件表面造成劃傷;激光切割速度快,切口光滑平整,一般無需后續加工;切割熱影響區小,板材變形小,切縫窄(0.1~0.3mm);切口沒有機械應力,無剪切毛刺;重復性好,不損傷材料表面,數控編程,可加工任意平面圖,對幅面很大的整板切割,無需開發模具,經濟省時。一般來講,建議12mm以內的碳鋼板、10mm以內的不銹鋼板推薦使用激光切割機。激光切割機無切削力,加工無變形,無刀具磨損,材料適應性好。無論是簡單還是復雜零件,都可以用激光一次精密快速成形切割。可實現切割自動排樣、套料,提高了材料利用率,經濟效益好。


激光切割機分類


        根據激光發生器的不同,目前市面上大致可分為三種激光切割機:CO2激光切割機、YAG(固體)激光切割機、光纖激光切割機。


CO2激光切割機


        CO2激光切割機:可以穩定切割20mm以內的碳鋼、10mm以內的不銹鋼、8mm以下的鋁合金。CO2激光器波長為10.6μm,比較容易被非金屬吸收,可以高質量地切割木材、亞克力、PP、有機玻璃等非金屬材料,但是CO2激光的光電轉化率只有10%左右。CO2激光切割機在光束出口處裝有噴吹氧氣、壓縮空氣或惰性氣體N2的噴嘴,用來提高切割速度和保證切口的平整光潔。為了提高電源的穩定性和壽命,CO2氣體激光要解決大功率激光器的放電穩定性。根據國際安全標準,激光危害等級分4級,CO2激光屬于危害最小的一級。
        主要優點:功率大,一般功率都在2000~4000W之間,能切割25mm以內的全尺寸不銹鋼、碳鋼等常規材料、以及4mm以內鋁板和60mm以內的亞克力板、木質材料板、PVC板,切割薄板時速度很快。另外由于CO2激光器輸出的是連續激光,在切割時是三種激光切割機中切割斷面最光滑的。
主要市場定位:6~25mm的中厚板切割加工,主要針對大中型企業以及部分純對外激光切割加工企業。由于其激光器維護耗損大,主機耗電量大等無法克服因素,近年來受到光纖激光切割機的巨大沖擊,市場處于明顯萎縮狀態。


YAG(固體)激光切割機


        YAG固體激光切割機具有價格低、穩定性好的特點,但能量效率一般低于3%。目前產品的輸出功率大多在800W以下,由于輸出能量小,主要用于打孔和點焊及薄板切割。它的綠色激光束可在脈沖或連續波的情況下應用,具有波長短、聚光性好特點,適于精密加工特別是在脈沖下進行孔加工的情況,也可用于切削、焊接和光刻等。YAG固體激光切割機激光器的波長不易被非金屬吸收,故不能切割非金屬材料,且YAG固體激光切割機需要提高電源穩定性和壽命。需要研制大容量、長壽命光泵激勵光源,采用半導體光泵可使能量效率大幅度增長。
        主要優點:能切割其他激光切割機無法切割的鋁板、銅板以及大多數有色金屬材料。機器采購價格便宜、使用成本低、維護簡單,大部分關鍵技術已被國內企業所掌握。配件價格及維護成本低,且機器操作維護簡單,對工人人員素質要求不高。
        主要市場定位:8mm以下切割。主要針對自用型中小企業和加工要求不是特別高的大多數鈑金制造、家電制造、廚具制造、裝飾裝潢、廣告等行業用戶,未來可能逐步取代線切割、數控沖床、水切割、小功率等離子等傳統加工設備。


光纖激光切割機


        光纖激光切割機可以通過光纖傳輸,柔性化程度空前提高,故障點少、維護方便、速度快,在切割4mm以內薄板時具有很大優勢,但是受固體激光波長的影響,其在切割厚板時質量較差。光纖激光器切割機波長為1.06μm,不易被非金屬吸收,故不能切割非金屬材料。光纖激光的光電轉化率高達25%以上,在電費消耗、配套冷卻系統參數等方面光纖激光優勢相當明顯。根據國際安全標準,光纖激光由于波長短,對眼睛傷害很大,屬于危害最大的一級。出于安全考慮,光纖激光加工需要在全封閉的環境進行。光纖激光切割機作為一種新興激光技術,普及程度遠遠不如CO2激光切割機。
        主要優點:光電轉換率高、電力消耗少、能切割12mm以內的不銹鋼板、碳鋼板,是這三種機器中切割薄板速度最快的激光切割機。割縫細小、光斑質量好,可用于精細切割。
        主要市場定位:12mm以下切割,尤其是薄板的高精密加工。主要針對加工精度及效率要求極高的廠家。估計伴隨著5000W及以上激光器的出現,光纖激光切割機最終會取代CO2大功率激光切割機的大部分市場。

激光切割方式

 

圖1所示為激光切割的三種方式

 

激光熔化切割


        ⑴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。因為材料的轉移只發生在其液態情況下,所以該過程被稱作激光熔化切割。
        ⑵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,氣體本身不參與切割。
        ⑶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。
        ⑷最大切割速度隨著激光功率的增加而增加,隨著板材厚度增加和材料熔化溫度增加而成反比例地減小。在激光功率一定的情況下,限制因素是割縫處的氣壓和材料的熱傳導率。
        ⑸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。對于鋼材料來說,會產生熔化但不到氣化的激光功率密度,激光功率密度在104W/cm2~105W/cm2之間。


激光火焰切割


        激光火焰切割與激光熔化切割不同之處在于其使用氧氣作為切割氣體。借助于氧氣和加熱后金屬之間的相互作用,發生化學反應使材料進一步加熱。對于相同厚度的結構鋼,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切口質量更差。實際上生成了更寬的割縫、明顯的粗糙度、增加熱影響區區域和更差的邊緣質量。
        ⑴激光火焰切割在加工精密模型和尖角時是有缺陷的(有燒掉尖角的危險)。可以使用脈沖模式激光限制熱影響區。
        ⑵所用的激光功率決定切割速度。在激光功率一定的情況下,限制因素是氧氣的供應和材料的熱傳導率。


激光氣化切割


        激光氣化切割過程中,材料在割縫處發生氣化,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,材料厚度一定不要大大超過激光光束直徑,該加工因而只適合用在沒有熔化材料排出的情況下。該加工實際上只用于鐵基合金很小的使用領域。
該加工不能用于木材和某些陶瓷,這些材料通常要達到更厚的切口。
        ⑴激光氣化切割中,最優光束聚焦取決于材料厚度和光束質量。
        ⑵激光功率和氣化熱對最優焦點位置有一定的影響。
        ⑶板材厚度一定的情況下,最大切割速度反比于材料氣化溫度。
        ⑷所需激光功率密度大于108W/cm2,取決于材料、切割深度和光束焦點位置。
        ⑸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限制。

激光加工過程


        加工過程指激光光束、加工氣體和工件之間的相互作用。圖2所示為加工參數。

 

圖2 加工參數


切割過程

 

        在進行切割之前,激光必須將工件加熱到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,該平面吸收激光輻射加熱并熔化。在激光火焰切割中,進入割縫的氧氣流進一步加熱熔化區,達到接近沸點溫度,產生的氣化把材料移走。同時借助加熱氣體,液化材料從工件下部排出。
        激光熔化切割中,液化材料隨氣體排出,該氣體保護割縫以防氧化。連續的熔化區沿著切割方向逐漸滑移,因而得到一條連續割縫。激光切割過程許多重要活動發生在該區域,對這些活動的分析可以得到激光切割的重要信息,可以計算切割速度并解釋牽引線特性的形成。


材料特性


        在工件上進行切割的結果可能出現整潔的切口,或者相反,存在邊緣粗糙或過燒情況。
        影響切割質量最重要的因素有。
        ⑴合金成分。
        合金成分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、鎂和鋅等。
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很好:St 37-2,StW 22,DIN 1.203。
        ⑵材料基本微觀結構。
        一般來說,組成材料的顆粒越細,切割邊緣質量越好。
        ⑶表面質量和粗糙度。
        如果表面有生銹區域或氧化層,切割的輪廓將不規則并出現許多破損點;要切割波紋板,就選擇最大厚度切割參數。
        ⑷表面處理。
        最常用的表面處理有鍍鋅、涂漆、陽極電鍍或覆蓋分層塑料膠片。用鋅處理過的板材易在邊緣出現掛渣。對于涂漆的板材,切割質量依賴于所涂產品的成分組成。
        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粘合(避免產生浮泡),分層邊必須總是在切割工件的上部。
        ⑸光束反射。
        光束在工件表面如何反射取決于基本材料、表面粗糙度和處理方式。一些鋁合金、銅、黃銅和不銹鋼板材具有高反射率特點。切割這些材料時,要特別注意調節好焦點位置。
        ⑹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構鋼,加工產生的熱吸收也更少。又比如銅、鋁和黃銅這些材料焊接時會散失掉一大部分吸收激光產生的熱,因為熱從光束目標點處傳導開了,所以熱影響區的材料更加難熔化。
        ⑺熱影響區。
        激光火焰切割和激光熔化切割會導致切割材料邊緣區域發生材料變異。關于熱影響區域的范圍與基本材料厚度之間的關系,表1列出了一些參考數值。

 

表1 材料厚度與熱影響區域的關系


        從表中可以了解:⑴加工低碳鋼或無氧鋼時,熱影響區淬火現象減少了;⑵高碳鋼(比如Ck60)會出現邊緣區域變硬現象;⑶硬軋鋁合金的熱影響區會比其余部分稍微軟一些。

 

 

不同材料的可加工性


        (1)結構鋼。
        可采用氧氣切割的方式,但切割邊緣會發生輕微氧化。而對于厚度達到4mm的板材,適宜采用氮氣作為加工氣體進行高壓切割。當加工復雜輪廓和小孔(直徑小于材料厚度)時,應采用脈沖模式進行加工,這樣可以避免切掉尖角。
        對于切割結構鋼,還需注意:
        1)碳含量越高,切割邊緣越易淬火,拐角越易過燒。
        2)合金含量高的板材比低的更難切割。
        3)氧化或噴砂處理過的表面會得到更差的切割質量。
        4)板材表面的余熱對切割結果有負面影響。
        5)加工厚度10mm以上的板材,對激光器使用特殊極板并且在加工過程中給工件表面涂油可以得到較好的效果。
        6)為了消除張力,只切割經過二次處理的鋼板。
        7)為了得到切割表面潔凈的結構鋼,須遵循:
        Si≤0.04%:首選激光加工;
        Si <0.25%:某些情況下切口質量較差;
        Si >0.25%:不適合激光切割。

 


        影響工藝的幾個關鍵參數
        N1氣體參數
        氣體類型:氮氣、氧氣、壓縮空氣氣體純度:一般在99.99%~99.999%之間氣壓:低壓切割時最高氣壓為5 bar,高壓切割時最高氣壓為20 bar噴嘴與板材間距:噴嘴口與工件表面的間距必須盡可能小。間距越小,實際進入切口的氣流量便越大。間隙通常介于0.5~ 1.5 mm之間。
        (2)不銹鋼。
        1)在邊緣氧化可忽略的情況下,使用氧氣切割的方式。
        2)采用高功率和高壓氮搭配的方式,可得到與氧氣切割相當或更高的切割速度。
        3)使用氮氣加工4mm以上的不銹鋼時,需重設焦點位置并降低速度,可降低毛刺的出現。
        4)對于5mm以上的厚板材,適宜采用氧氣切割;同時降低進給速度,并采用激光脈沖模式。
        5)對于穿孔需和切割采用同樣的噴嘴高度。
        (3)鋁。
        鋁及其合金更適宜用連續模式進行切割。

 

 

N2激光功率


        有連續模式和脈沖模式可供選擇,就一般情況而言,連續模式使用于常規的、快速的切割作業,而脈沖模式使用于高精度、對加工端面有嚴格要求的切割作業,其速度明顯慢于連續模式。
        1)當用氧氣切割時,切割表面粗糙而堅硬,只產生一點火焰,但卻難以消除。
        2)當用氮氣切割時,切割表面平滑。并且在加工3mm以下的板材時,可通過最優調整得到事實上無毛刺的切口;而對于更厚的板材,會產生難以去除的毛刺。
        3)純鋁因為其高純,所以非常難切割。
        4)合金含量越高,材料越容易切割。
        注意:只有在系統上安裝有“反射吸收”裝置的時候才能切割鋁材,否則會毀壞光學組件。
        (4)鈦。
        鈦板材用氬氣和氮氣作為加工氣體來切割,其他參數可以參考鎳鉻鋼。
        (5)銅和黃銅。
        1)兩種材料都具有高反射率和非常好的熱傳導性。
        2)厚度1mm以下的黃銅可以用氮氣切割。
        3)厚度2mm以下的銅加工,氣體必須用氧氣。
        注意:只有在系統上安裝有“反射吸收”裝置的時候才能切割銅和黃銅,否則會毀壞光學組件。
        (6)合成材料。

 

 


        N3切割速度
        跟加工板材的厚度有關,板材越薄速度越快。在加工直線輪廓時,切割速度可達到設定值的最高峰,在加工圓弧輪廓或出現拐角時,切割速度會自動的進行遞減調節,以保證加工品質的優良性,同時它與激光功率也有關系。通常而言,激光功率越高,加工速度越快。
        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。可加工的合成材料有:熱塑性塑料、熱硬化材料和人造橡膠。禁止用激光切割機來加工PVC或聚乙烯,因為釋放的氣體有毒。對于這兩種材料,最好使用水切割。
        丙烯酸玻璃可以用激光切割,氮氣用作加工氣體,但氣壓必須低于0.5bar,這樣才可以得到平滑的切割表面。
        (7)有機物。
        在所有的有機物切割中都存在火災的危險(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,不能保證會有潔凈的切口,因為每層膠根據其類型和種類而成分不同。


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