CN105149796A - 激光切割工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光切割工艺，通过控制激光的功率、脉冲频率和压力等参数，实现对不同厚度和硬度的金属材料的切割，包括：定焦；调整喷嘴与工件距离；调整激光器功率、频率和脉宽；辅助氮气或氧气；工件以一定的速度和轨迹运动；切割完成。定焦为工件表面以下0.3mm，喷嘴与工件的距离为1mm-3mm，激光器的功率为100W-3000W，脉冲频率为1kHz-20kHz，工件移动速度为50mm/min-2000mm/min。该发明能够适应不同硬度和不同材料的要求，切割速度快，热影响区小，加工质量高。

Description

激光切割工艺

技术领域

本发明涉及激光切割工艺。

背景技术

激光是通过原予受激辐射发光和共振放大形成的。原子具有一些不连续分布的能级，电子在最靠近原予核的轨道上转动时是稳定的，这时原子所处的能级为基态。当有外界能量传入，则电子运行轨道半径扩大，原子内能增加，被激发到能量更高能级，这时称之为激发态或高能态。被激发到高能级的原子是不稳定的，总是力图回到低能级去。原子从高能级到低能级的过程称之为跃迁。当原子跃迁时，其能量差则以光的形式辐射出来，这就是原子发光，是自发辐射的光，又称荧光。如果在原子跃迁时是受到外来光子的诱发，原子就会发射一个与入射光子的频率、相位、传播方向、偏振方向完全相同的光子，这就是受激辐射的光。

原予被激发到高能级后，会很快跃迁回低能级，它停在高能级的时间称为原子在该能级的平均寿命。氦、氖、氪原子，钕离子和二氧化碳分子等在外来能量的激发下，使处于高能级的原子数大于低能级的原子数，这种状态称为粒子数反转。这时，在外来光子的刺激下，产生受激辐射发光，这些光子通过谐振腔的作用产生放大，受激辐射越来越强，光速密度不断增大，形成了激光。

激光的特性

激光与其它光相比，具有以下的特点：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。

(1)高亮度

激光器的发光截面和立体分散角都很小，丽输出功率却很大，其亮度远远高于太阳的亮度，经透射镜聚焦后，能在焦点附近产生几千度甚至上万度的高温，因而能加工几乎所有的材料。

(2)高方向性

激光的高方向性主要是由受激发射机理和光学谐振腔对振荡光束方向的限制作用所决定的。激光的高方向性使得激光能有效地传递较长距离，能聚焦到极高的功率密度，这两点是激光加工的重要条件。

(3)高单色性

激光器发出的全部光辐射只集中在很小的频率范围内，其单色性极高，几乎完全消除了聚焦透镜的色散效应，使得光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度，相应的功率密度可达0.10～10³/cm²，比一般的切割热源高几个数量级。

(4)高相干性

相干性好，在较长日寸间内有恒定的相位差，可以形成稳定的干涉条纹。

从以上特性可以看出，激光是一种理想的切割热源。

从上世纪70年代后期，自从激光切割技术投入到生产应用以来，发展的速度很快，切割技术也变得日趋完善，促使激光切割技术得到更多使用的主要原因是激光切割的独特优点。激光切割是板材下料过程中的重要加工方式：与传统的等离子切割、火焰切割相比，激光切割具有切缝窄、热影响区比较小、切割速度快、切边比较光滑等特点。归纳起来，激光切割的主要特点如下：

(1)产品质量可靠，切割精度高。

(2)表面粗造度小，切口平行度好，对做冲模有利。

(3)无工件磨损，易于数控或计算机控制，并可多工位操作，如在激光切割过程中，我们只须定位而不需要夹紧，无“刀具”磨损、无“切削力”作用于工件上。

(4)加工灵活性好，既能切割立体工件，又能够切割平面共建。

(5)使用范围非常广泛，可切割不锈钢、石英、陶瓷、玻璃、碳钢、塑料、橡胶、复合材料、台金钢等。

(6)激光切割的深宽比高，对于金属切割可以达到20：1左右，并可以切割不穿透的盲槽。

(7)切割速度快。例如采用2KW激光功率,8mm厚的碳钢切割速度为1.6m/min；能使板材的切割效率提高8～20倍。

(8)清洁、噪声低、安全、无污染。这些大大改善了工人的工作环境。

自从20世纪80年代以来，计算机数控技术与激光切割技术结合起来的数控激光加工技术，使激光切割技术增添了很多亮点，显示出了非常大的优越性。激光切割现已广泛地应用于造船、机械制造、石油工业、航空航天、汽车、包装业、军工等多个领域，为现代制造业注入了新的活力。

激光加工是激光应用的首要领域。激光加工业兴起于70年代，在西方销售额增长很快，1970年为600万美元，1980年为7000万美元，1985年为2.8亿美元，当时年增长率为20％～25％，已形成一个新兴的产业。

激光加工是指用高功率激光束对工业用零部件进行切割、热处理、焊接、打孔等等，与传统加工方法相比，激光加工的特点是：激光束能量高度集中，加工区域小，因而热变形小，加工质量高、精度高，加工件不受尺寸、形状限制，不需冷却介质，而且无污染，噪声小，劳动强度低，效率高。激光加工技术的产业化正在我国兴起。

激光加工技术的应用及发展

40多年来，激光加工技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，主要加工技术包括：激光切割、激光焊接、激光打标、激光打孔、激光热处理、激光快速成型、激光涂敷等。激光加工技术是激光技术在工业中的主要应用，其加速了对传统加工工业的改造，提供了现代工业加工技术的新手段，对工业发展影响很大。特别是激光切割已成为当前工业加工领域应用最多的激光加工方法，可占整个激光加工业的70％以上。

数控激光切割机是近十年来发展最快的钣金加工设备。世界上许多知名企业都把激光切割作为主要加工手段，更进一步促进了激光切割机的发展。2003年4月在北京举办的第八届中国国际机床博览会表明，国外先进设备制造商在数控激光切割机上都下了很大功夫，日本的AMADA、MURATA、NTC德国的TRUMPF、瑞士的BYSTRONIC、意大利的PRIMA等都在展会上展出了各自的数控激光切割机，这些设备都不同程度的体现了各自厂商的特点和优越的机床性能，并且具有以下共同特点：一是都采用了先进的飞行光路技术并带有交换式双工作台，二是都配置了CO₂大功率激光器，使板材切割厚度增加，切割速度大大提高。

激光切割当前存在的问题

激光切割机自动化程度高，切割质量好，切割效率高，但由于它集机、电、液、气以及计算机等多方面知识于一身，所以普遍存在机床寿命短、切割质量波动大、切割参数难控制、对操作者要求过高等缺点。国内外研究资料表明，影响激光切割机切割质量和切割效率的因素很多，包括激光输出功率、切割气体压力、切割速度、焦点位置、切入点位置、材料厚度及材质甚至周围环境等等，如何选择相关工艺参数，合理使用激光切割机，提高切割质量切割及效率，是目前众多生产厂家及用户急待解决的实际问题。在这方面，多数厂家通过长期使用积累了一定的经验值，并用其指导生产，但由于机床型号各异，参数选择各不相同，且各因素之间关系复杂，使得经验值难免带有一定的局限性，因此在实际加工中，经常出现切割质量不稳定而无法达到技术要求，抑制了激光切割机的发展。广大用户迫切希望获得各主要加工参数选择的理论依据。

发明内容

本发明的目的在于提出一种激光切割工艺。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种激光切割工艺，通过控制激光的功率、脉冲频率和压力等参数，实现对不同厚度和硬度的金属材料的切割，包括：定焦——调整喷嘴与工件距离——调整激光器功率、频率和脉宽——辅助氮气或氧气——工件以一定的速度和轨迹运动——切割完成。定焦为工件表面以下0.3mm，喷嘴与工件的距离为1mm—3mm，激光器的功率为100W——3000W，脉冲频率为1kHz——20kHz，工件移动速度为50mm/min——2000mm/min。

具体实施方式

实施例1

一种激光切割工艺，通过控制激光的功率、脉冲频率和压力等参数，实现对不同厚度和硬度的金属材料的切割，包括：定焦——调整喷嘴与工件距离——调整激光器功率、频率和脉宽——辅助氮气或氧气——工件以一定的速度和轨迹运动——切割完成。切割镀锌钢板时，定焦为工件表面以下0.3mm，喷嘴与工件的距离为2mm，激光器的功率为1500W，脉冲频率为15kHz，工件移动速度为1500mm/min。

实施例2

一种激光切割工艺，通过控制激光的功率、脉冲频率和压力等参数，实现对不同厚度和硬度的金属材料的切割，包括：定焦——调整喷嘴与工件距离——调整激光器功率、频率和脉宽——辅助氮气或氧气——工件以一定的速度和轨迹运动——切割完成。切割碳化硼陶瓷时，定焦为工件表面以下0.3mm，喷嘴与工件的距离为1mm，激光器的功率为500W，脉冲频率为1kHz，工件移动速度为50mm/min，采用相同的运动轨迹连续切割三次。

Claims (5)

1.一种激光切割工艺，其特征在于通过控制激光的功率、脉冲频率和压力等参数，实现对不同厚度和硬度的金属材料的切割，包括：定焦——调整喷嘴与工件距离——调整激光器功率、频率和脉宽——辅助氮气或氧气——工件以一定的速度和轨迹运动——切割完成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的定焦为工件表面以下0.3mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的喷嘴与工件的距离为1mm—3mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的激光器的功率为100W——3000W，脉冲频率为1kHz——20kHz。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的工件移动速度为50mm/min——2000mm/min。