激光切割机工艺手册

1 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 10 5 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 2 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 3 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 热影响区域 mm 材料厚度 mm St 37 碳钢 铝 1 0 05 0 05 0 10 4 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 当加工低碳钢或无氧钢时 热影响区的淬火减少了 对于高碳钢 比如 Ck60 会出现边缘区域变硬的现象 对于硬轧铝合金 热影响区甚至会比其余部分稍微软一些 2 3 不同材料的可加工性 结构钢 该材料用氧气切割时会得到较好的结果 使用 CW 模式激光 当加工非常 小的曲线控制系统改变进给速率时 它通过调节使激光功率和轴进给速率相适 应 当用氧气作为加工气体时 切割边缘会轻微氧化 对于厚度达 4mm 的板材 可以用氮气作为加工气体进行高压切割 这种情况下 切割边缘不会被氧化 复杂轮廓和小孔 直径小于材料厚度 应该用脉冲模式切割 这样可以避 免切掉尖角 碳含量越高 切割边缘越易淬火 拐角越易过烧 合金含量高的板材比低的更难切割 氧化或喷砂处理过的表面会得到更差的切割质量 板材表面的余热对切割结果有负面影响 厚度在 10mm 以上的板材 对激光器使用特殊极板并且在加工中给工 件表面涂油可以得到较好的效果 油膜减少熔渣粘到表面并极大地帮助切割 油膜不影响切割活动的效果 为了消除张力 只切割经二次处理过的钢板 沸腾条件下熔化钢铁中 的不纯成份实际上对切割结果有很大影响 为了切割表面洁净的结构钢 须遵循以下提示 Si 0 04 首选 激光加工很好 Si 0 25 不适合激光切割 可能会得到更差的或不一致的结果 注意 对于达到 St52 的钢铁 按照 DIN 标准的容许量为 Si 0 55 该指标对于激光加工来说太不精确了 不锈钢 切割不锈钢需要 使用氧气 在边缘氧化不要紧的情况下 使用氮气以得到无氧化无毛刺的边缘 就不需要再作处理了 用可能得到的高激光功率 同时采用高压氮气 比用氧气可能会得到 5 相当的或更高的切割速度 为了用氮气切 4mm 以上的不锈钢 并且无毛刺 调节焦点位置是必要 的 重新设焦点位置并降低速度 就可能得到洁净的切口 当然无法避免小毛 刺 在板材表面涂层油膜会得到更好的穿孔效果 而不降低加工质量 对于不锈钢 请选择 氧气切割 对于 5mm 以上的厚板材 降低进给速度 激光采用脉冲模 式 对于穿孔和切割采用同样的喷嘴高度 铝 铝及其合金更适宜用连续模式切割 尽管有高反射率和热传导性 厚度 6mm 以下的铝材可以切割 这取决于合金类型和激光器能力 铝可以用氧切割或高压氮切割 当用氧切割时 切割表面粗糙而坚硬 只产生一点火焰 但却难以消除 用氮气时 切割表面平滑 当加工 3mm 以下的板材时 通过最优调整 后可以得到事实上无毛刺的切口 对于更厚的板材 会产生难以去除的毛刺 纯铝因为其高纯非常难切割 合金含量越高 材料越易切割 建议 只有在系统上安装有 反射吸收 装置的时候才能切割铝材 否 则反射会毁坏光学组件 钛 钛板材用氩气和氮气作为加工气体来切割 其它参数可以参考镍铬钢 铜和黄铜 两种材料都具有高反射率和非常好的热传导性 厚度 1mm 以下的黄铜可以用氮气切割 厚度 2mm 以下的铜可以切割 加工气体必须用氧气 建议 只有在系统上安装有 反射吸收 装置的时候才能切割铜和 黄铜 否则反射会毁坏光学组件 合成材料 危险 切割合成材料时要牢记切割的危险和可能排放的危险物质 可加工的合成材料有 热塑性塑料 热硬化材料和人造橡胶 用激光切割 机来加工 PVC 或聚乙烯是不行的 因为释放的气体是有毒的 对于这两种材料 最好使用水压切割 丙烯酸玻璃可以用激光切割 氮气用作加工气体 气压必须低于 0 5bar 这 样可以得到平滑的切割表面 有机物 危险 在所有有机物切割中都存在着着火的危险 用氮气作为加工气体 也可以用压缩空气作为加工气体 6 木材 皮革 纸板和纸可以用激光切割 切割边缘会烧焦 褐色 进给速 度越高 碳化越少 当加工胶合板时 不可能保证会有洁净的切口 因为每层 胶根据其类型和种类而成份不同 其它材料 有关您感兴趣的其它材料的信息可以从我公司的用户工程服务部门得到 材料的可切割厚度 生产值 mm 最大可以切割的厚度只在最优的机床和参数调整的情况下才有可能 最大值 mm 2 4 激光脉冲模式 模式 表示符号 应用 例子 连续模式 CW 低压切割 普通切割 高压切割 结构钢用 O2 铝用 N2 不锈钢用 N2 恒定功率切可得到相对精密的切割 7 门脉冲 GP 穿孔 细小轮廓 以结构钢为例 轮廓上的小孔 小孔直径为材料厚度的一半 细轮廓 超脉冲 SP 穿孔 高反射率的 材料 铜用 N2 不锈钢用 O2 耐热的碳钢用 O2 增加激光功率用 100 CW 超脉冲 Inox 铝合金用 N2 超强脉冲 HP 穿孔 穿孔时 效果和增加频率得到的相 对 厚板的快速穿孔 有少量碎屑 锌钢用 O2 2 5 气体参数 气体参数包括 气体类型 气压 喷嘴直径和几何结构 气压和喷嘴几何结构决定了边缘粗糙度和毛刺的生成 加工气体消耗取决 于喷嘴直径和气压 关于加工气体的更多信息在 维修保养手册 气体控制 章节里 切割气压在 5bar 以下为低压 达 20bar 为高压 常用的切割喷嘴为锥体状的圆形口 保持喷嘴和工件表面之间的间距尽可能的小是必要的 距离越小 有 效冲击割缝壁的气体质量就越高 经常使用 0 5 到 1 5 之间的间距 第三章 激 光加工 3 1 穿孔 穿孔的参数值不同于切割的参数值 连续模式穿孔 优点 快速穿孔 缺点 产生穿孔坑 脉冲模式穿孔 优点 小的穿孔洞 缺点 耗时 注意 板材厚度 mm 大约对应于穿孔时间 s 如果板材切掉的部分和剩余部分都要 就直接在轮廓上使用脉冲穿孔功 能 3 2 碳钢的起切和结束切 穿孔通常用 CW 模式 该类型穿孔更快 但它产生一个比用脉冲穿孔更大 的孔 由于此原因 起切穿孔的位置通常选在轮廓外边 穿孔和实际轮廓之间 的切割长度称作起切部分 激光光束焦点在起切部分末端和轮廓之间的可能变化 通过工件上切口边 缘的不平 是可以辨别出来的 用户必须尽可能地把起切部分设在几何单元一 8 侧的理想伸展线上 在小表面内轮廓情况下 让穿孔过程中产生的热在开始切割之前散发掉非 常重要 避免把穿孔设在狭窄的区域 而设成相对轮廓成大角度 这有利于热 散发 起切长度取决于板材厚度和孔的直径 3 4 拐角的加工 有半径的钝角的加工 在可能的地方 避免无半径的拐角 有半径拐角与无半径的相比有以下优 点 轴移动的动态性能更好 热影响区减少 毛刺的产生更少 最优倒圆半径 R 最优 板材厚度 mm 除以 10 但不小于 1mm 当内板材上要求无半径拐角时 最大半径 R 边缘 切口宽度的一半 有了这种光束 仍然可以产生无半径的拐角 而现在 轴动态地移动 9 薄板上的尖角采用孔眼 在薄板上高速切割时 建议使用孔眼技术 这种解决方法有以下优点 轴以固定的方向变化经过尖角 工件本身以恒速切割 减少了拐角处的热影响 第四章 工艺试验 4 1 脉冲模式切割 对某些模型使用脉冲模式激光切割 1 到 6mm 厚的板材 切割速率大约比 CW 模式低 60 1 到 6mm 厚的板材更适合脉冲切割 另一方面 8 到 12mm 的板材用脉冲模式更难加工 不要用脉冲模式切割内部工件 4 2 无氧化切割不锈钢 对于孔和其它剪切块 推荐把从起切到加工轮廓的过渡块设为适当的圆弧 10 4 3 无氧化切割木材和铝 孔的起切 起切的长度取决于板材厚度和孔的直径 4 4 栅格 栅条可以由不同的金属造成 铜栅条寿命最长 因为它对热应力抵抗力最 强 熔渣很容易去掉 铜的高反射率对于切割薄板和小孔 孔不精确 或无氧 化切割 产生等离子体 干扰光束 有负面影响 碳钢和 V2A 是对切割过程干 扰最小的材料 碳钢和 V2A 栅条可以由客户自己切割 切割的设计在 PC 机的硬盘上 栅 条的寿命取决于加工过程中所用的激光功率 碳钢的优点 经济 V2A 的优点 由于此材料的类型 溅射的材料不会氧化到栅格上 建议 用 O2 切割栅条 4 5 评估切口 结构钢 用 O2 切割 缺陷 可能原因 解决办法 无毛刺 牵引线一致 功率合适 进给速率合适 底部的牵引线有很大的偏移 底 部的切口更宽 进给速率太高 激光功率太低 气压太低 减小进给速率 增加激光功率 加大气压 11 焦点太高 降低焦点 底面上的毛刺类似熔渣 成点滴 状并容易除去 进给速率太高 气压太低 焦点太高 减小进给速率 加大气压 降低焦点 连在一起的金属毛刺可以作为一 整块被除去 焦点太高 降低焦点 底面上的金属毛刺很难除去 进给速率太高 气压太低 气体不纯 焦点太高 减小进给速率 加大气压 使用更纯的气体 降低焦点 只在一边上有毛刺 喷嘴对中不正确 喷嘴口有缺陷 对中喷嘴 换喷嘴 结构钢 用 O2 切割 缺陷 可能原因 排除 材料从上面排出 功率太低 进给速率太高 出现此情况立即按暂 停按钮 以防止溶渣 飞溅到聚焦镜上 然后增加功率 减小进给速率 倾斜面切割 两面好 两面差 极化反射镜不合适 安装不正确或有缺陷 极化反射镜安装在了 偏转镜的位置 检查极化反射镜 检查偏转镜 蓝色等离子体 工件未切透 加工气体错误 N 2 进给速率太高 功率太低 出现此情况立即按暂 停按钮 以防止溶渣 飞溅到聚焦镜上 12 使用氧气作为加工气体 减小进给速率 增加功率 切割表面不精密 气压太高 喷嘴损坏了 喷嘴直径太大 材料不好 减小气压 更换喷嘴 安装合适的喷嘴 使用表面平滑均匀的材 料 无毛刺 牵引线倾斜 切口在底部变得更狭窄 进给速率太高 减小进给速率 结构钢 用 O2 切割 缺陷 可能原因 排除 产生弹坑 气压太高 进给速率太低 焦点太高 板材表面有锈 加工的工件过热 材料不纯 减小气压 增加进给速率 降低焦点 使用质量更好的材料 非常粗糙的切割表面 焦点太高 气压太高 进给速率太低 材料太热 降低焦点 减小气压 增加进给速率 冷却材料 不锈钢 用 N2 高压切割 缺陷 可能原因 解决办法 产生点滴状的细小规则毛刺 焦点太低 进给速率太高 抬高焦点 减小进给速率 两边都产生长的不规则的细丝状 毛刺 大板材的表面变色 进给速率太低 焦点太高 气压太低 材料太热 增加进给速率 降低焦点 加大气压 冷却材料 13 只在切割边缘的一边产生长的不 规则的毛刺 喷嘴未对中 焦点太高 气压太低 速度太低 对中喷嘴 降低焦点 加大气压 提高速度 切割边缘发黄 氮气里含有氧气杂质 使用质量好的氮气 在直线截面上产生等离子体 进给速率太高 功率太低 焦点太低 出现此情况立即按暂 停按钮 以防止溶渣 飞溅到聚焦镜上 减小进给速率 增加功率 抬高焦点 光束分散 进给速率太高 功率太低 焦点太低 减小进给速率 增加功率 抬高焦点 拐角处产生等离子体 角度公差太高 调制太高 加速度太高 减小角度公差 减小调制或加速度 不锈钢 用 N2 高压切割 光束在开始处发散 加速度太高 焦点太低 熔化的材料未能排出 减小加速度 抬高焦点 穿圆孔 切口粗糙 喷嘴损坏了 透镜脏了 更换喷嘴 清洗透镜 如果需要就 更换 材料从上面排出 功率太低 进给速率过大 气压太高 出现此情况立即按暂 停按钮 以防止溶渣 飞溅到聚焦镜上 增加功率 减小进给速率 减小气压 铝合金 用 N2 高压切割 缺陷 可能原因 解决办法 14 两边都产生长的不规则的细丝状毛刺 很难除去 焦点太高 气压太低 进给速率太低 降低焦点 加大气压 增加进给速率 两边都产生长的不规则的毛刺 可手 工除去 进给速率太低 增加进给速率 切口粗糙 喷嘴直径太大 喷嘴损坏了 气压太高 安装合适的喷嘴 更换喷嘴 减小气压 产生细小的有规则的毛刺 很难除去 焦点太低 进给速率太高 抬高焦点 减小进给速率 在直线截面上产生等离子体 进给速率太高 焦点太低 减小进给速率 抬高焦点 光束分散 进给速率太高 减小进给速率 拐角处产生等离子体 角度公差太高 调制太高 加速度太高 减小角度公差 减小调制或加速度 光束在开始处发散 进场速度太高 焦点太低 减小进场速度 抬高焦点 切口粗糙 喷嘴损坏了 更换喷嘴 材料从上面排出 功率太低 进给速率过大 出现此情况立即按暂 停按钮 以防止溶渣 飞溅到聚焦镜上 增加功率 减小进给速率 第五章 注意事项 为了达到最佳加工质量 请遵守以下指示 精密调整机床 按照维护计划进行维护 遵照上述要求加工 工件表面无铁锈或氧化皮 酸洗过的或平滑的 参数与材料和板材规格匹配 预设互相关联的参数 当注意到加工质量降低时 检查以下因数 1 参数 2 加工头 3 光束路径 15 4 激光器 参数 不要修改机床购买时设置的标准参数 为优化过的参数创建一个新的目录 如果加工质量恶化了 就检查看存在机器上的标准参数相对优化的参数是 否已经有了实质性的改变