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激光切割
双击自动滚屏 发布者:chianweld 发布时间:3/15/2007 阅读:42535

 

 

     

 

 

1  激光切割技术概述

激光切割以其切割范围广、切割速度高、切缝窄、切割质量好,热影响区小,加工柔性大等优点在现代工业中得到了极为广泛的应用,激光切割技术也成为激光加工技术中最为成熟的技术之一。

1.1  激光切割技术的国内外现状

从工业应用领域来看,金属和非金属的激光切割是激光加工最主要的应用领域,最具代表性的应用是在汽车工业中,从轿车底板的激光拼焊,顶棚的激光焊接,车身覆盖件三维轮廓的激光切割到汽车转向器壳体的激光淬火等,都有大量的应用。据统计,约有60%的汽车零部件可以通过激光加工来提高质量。激光切割过程中无“刀具”的磨损,无“切削力”作用于工件,激光切割板材其切割率可以提高820倍,节省材料15%~30%,可以大幅度降低生产成本,且加工精度高,产品质量可靠。美国、欧洲和日本等工业发达国家的激光加工已经形成了一个新兴的高技术产业,工业激光器和激光加工机的销售逐年递增,应用领域规模不断扩大。由于激光切割发展迅猛,在全球已生产、销售用于激光加工领域的工业激光器中有超过40%的激光器用作切割用途的。

日本是最早将激光切割加工系统引进到汽车生产中的国家,主要应用于大型覆盖件的下料切边,挡风板的激光切割等。美国福特和通用汽车公司以及日本的丰田、日产等汽车公司,在汽车生产线上普遍采用激光切割技术。它不必采用各种规格的金属模具,除了快速方便地切割各种不同形状的坯料外,还用来大量切割加工因规格不同,需要更改的零件安装孔位置,如汽车标志灯、车架、车身两侧装饰线等。通用汽车公司生产的卡车,仅车门就有直径为2.83.9mm20种孔。公司采用Rofin-Sinar500W激光器通过光纤连接到装在机械手上的焊头,用以切割这些孔,1min就完成一扇门开孔的加工。孔边缘光滑,背面平整。2.8mm孔的公司差为+0.08+0.03mm12mm孔的公差为+0.03-0.25mm。该公司生产的卡车和客车由892孔径和孔位配置不同的地盘,经过优化设计,现在只需要冲压5种不同的底盘,由激光切割出配置不同的孔,简化了工艺,提高效率,降低了成本。相对而言,日本在激光加工工艺方面的研究更是走在世界的前列,已经在车门制造过程中将钢板切割,焊接和压模成形一体化,并且取得了很大的进展。

三维激光切割技术,由于其本身具有加工灵活和保证质量的特性,在20世纪80年代就开始在汽车车身制造中应用。切割时只需用平直的支撑块来支撑工件,因此,夹具的制作不仅成本低而且快速。由于与CVD/CAM技术相结合,切割过程易于控制,可实现连续生产和并行加工,从而实现高效率的切割生产。相对于CO2激光器,YAG的激光可通过光导纤维输送,比较灵活方便,适用于机器人手执激光“喷嘴”配程序控制进行精确操作,因此在三维切割时大多采用。三维激光切割在车身装配后的加工也十分有用,例如开行李架固定孔,顶盖滑轨孔、天线安装孔、修改车轮挡泥板形状等。在新车试制中用于切割轮廓和修正,既缩短了试制周期又省了模具,充分体现出采用激光切割加工的优点。

在激光切割工艺研究方面,主要集中于对激光模式、激光输出功率、焦点位置以及喷嘴形状等问题的研究。早在20世纪7080年代,美国、德国以及日本等国家已经在大量的激光切割工艺试验的基础上,总结激光切割工艺,建立工艺数据库,并着手研究高性能的激光切割系统,90年代初期国外就已经推出了一些高性能的激光切割系统就具有加工参数自动设定的功能。

为了更加深入地发展激光加工技术,各国制定了自己的发展规划,如美国的“战略防御倡议”;英国的“阿维尔计划”;日本的“激光研究五年计划”;西欧的“尤里卡计划”;德国的“激光技术及其研究重点”等。这些国家为了执行发展计划建立了专门的研究机构和激光加工说应用中心。

同国外的发展情况相比,我国的激光加工技术研究起步较晚,基础工业相对落后,工业生产自动化程序不是很高,市场竞争意识薄弱。但是由于国家高度重视发展高科技产业,经过长期不懈的努力已经取得了可喜的成果。尤其在激光切割方面,成果更加显著。主要分为三个阶段。

第一阶段:早在20世纪70年代中期,我国就开始激光切割试验,到70年代末,中科院长春光机所就为成都飞机制造厂安装了功率(500W左右)激光器,用于切割飞机零件。1976年,由中科院长春光机所、长春第一汽车制造厂轿车分厂等单位合作研制的CO2激光机成功的应用于“红旗”牌轿车的覆盖件的切割上,这是我国激光切割发展的第一阶段。

第二阶段:从20世纪80年代中期开始,在上海、株洲和天津等地先后全套引进高功率(1500W左右)激光切割系统,较广泛地把激光切割新工艺引了我国的工业制造领域。

第三阶段:20世纪90年代以后是激光切割发展的第三阶段,开始发展中、高功率的具有适合切割光束模式的快流CO2激光系统(包括激光器、切割机床和数控系统)为工业界服务。

激光加工技术除被列入国家重点科技攻关外,它在国家自然科学基金,国家“863”计划,国家“火炬”计划等也有相当的项目被列入。为了推动激光加工产业化的进程,我国还建立了三个国家级的激光加工中心。它们分别是:

     国家科委组建的“国家固体激光技术研究中心”,依托于电子工业部第十一研究所;

② 由国家计委组建的“激光加工国家工程研究中心”,依托于华中科技大学激光技术与工程研究院;

③ 由国家经贸委组建的“国家产学研激光加工技术中心”,依托于北京市机电研究院和北京工业大学。

在激光切割方面,目前基本上集中在平板切割,主要是用于覆盖件的下料和样板切割,而在激光三维切割方面的应

用研究才开始起步。国家自然科学基金委在1997年把“大功率CO2YAG激光三维焊接和切割理论与技术”作为重点项目进行资助,国家产学研激光技术中心的有关学者对此进行了系统的研究,为在我国汽车车身制造业中应用三维激光立体加工技术做出了很大贡献。该中心拥有从德国Trumpf公司引进的具有20世纪90年代国际水平的6000W TurboCO2激光器及与之相配套的5轴联动激光加工机,可实现对零件的5面体切割和焊接;从Hass公司引进的500W YAG激光器和6轴机械手和光纤传输系统,可实现工件空间任意位置的切割和焊接。该中心为一汽轿车公司、宝山钢铁公司等国有大型企业的技术改造,开展了重大工程项目攻关。其中,开发“红旗”加长型轿车覆盖件的三维激光制造工艺技术,在我国轿车生产中是首次采用;在汽车用薄厚钢板激光大拼板拼接工艺试验研究中,首次采用了激光切割替代精裁的工艺技术,取得了较好的技术经济效果。在企业方面,柳州微型汽车厂也已经有了CO25轴激光加工机;上海大众汽车公司新的桑塔纳生产线也在引进高功率YAG三维加工系统;济南铸锻研究所为一汽开发的6CO2激光加工机也已进入运行阶段,用来轿车车身的切割成形。

    1.2  激光切割的特点

激光切割的工业应用始于20世纪70年代初,最初用在硬木板上切非穿透槽、嵌刀片、制造冲剪纸箱板的模具。随着激光器件和加工技术的进步,其应用领域逐步扩大到各种金属和非金属板材的切割,应用规模也迅速扩展。激光切割所占材料加工的比例超过了50%。从材料方面看,激光能切割的有塑料、木材、橡胶、皮革、纤维以及复合材料等。

激光切割头的示意图如图1所示。聚焦透镜将激光聚焦至一个很小的光斑,光斑的直径一般为0.10.5mm。焦斑位于待加工表面附近,用以熔化或汽化被切材料。与些同时,与光束同轴的气流由切割头喷出,将熔化或汽化了的材料由切口的底部吹出。随着激光切割头与被切材料的相对运动,生成切口。如果吹出的气体和被切材料产生放热反应,则此反应将提供切割所需的附加能源。气流还有冷却已切割表面、减少热影响区和保证聚焦透镜不受污染的作用。

对不同的材料,切割的方法很多。大部分切割法在切割时都伴随有热过程,被称为热切割法。热切割法主要有三种:氧气切割、等离子弧切割和激光切割法。将三种方法比较,就可看出激光切割技术的优点。

① 激光切割的功率密度较高,达106109W/cm2。切缝宽度小,最小可至0.10mm,一般也在0.130.38mm范围内,材料的利用率高。并能精确切割形状复杂、有尖角的零件,尺寸精度可达±0.05mm

② 因为激光作用时间短,所以工件变形少,周边热影响区很小,约为0.080.1mm;是氧气切割的1/10,等离子弧切割的1/6

③ 激光切割时只需定位而不需夹紧、划线、去油等准备工序,因而工件无机械应力及表面损伤。

④ 适用范围广,能切割易碎的脆性材料,以及极软、极硬的材料;切割淬火钢时,可使其硬度保持不变。

⑤ 切口平行度好,表面粗糙度小,切口有棱角,对做冲模有利。切边洁净,可直接用于焊接(不锈钢除外)。

⑥ 加工灵活性好,既能切割平面工件,又能切割立体工件。可从任何一点开始(先穿孔),切口可向任何方向行进。⑦ 切割速度快,为机械方法的20倍。根据材料厚度和切割速度的关系,在厚20mm以下的钢板切割中,激光的切

割能力最高。特别适用于中、薄板的高精度、高速度切割。

⑧ 激光切割的深宽比高,对于非金属可达100:1以上,对于金属也可达20:1左右,还可切割不穿透的盲槽。

⑨ 无工具磨损,易于数控或计算机控制,并可多工件操作。

⑩ 噪声和振动小,对环境基本无污染。

2  激光切割机理

激光切割是激光加工技术在工业上广泛应用的一个方面,因此其加工过程既符合激光与材料的作用原理,又具有自己的特点。

2.1  激光切割时切口的形成

激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件,使被照射处的材料迅即熔化、汽化、烧蚀或达到燃点,同时借与光束同轴的高速气流吹除熔融物质,从而实现割开工件的一种热切割方法。其切割过程示意图如图2所示,切割过程发生的切口的终端处一个垂直的表面,称之为烧蚀前沿。激光和气流在该处进入切口,激光能量一部分为烧蚀前沿所吸收,一部分通过切口或经烧蚀前沿向切口空间反射。

O2作辅助气体激光切割碳钢是地,借助高速摄影观察切割过程表明,当切口前沿的上表面受激光照射达到铁-氧反应温度时,氧化反应即从其中的一点开始,并迅速向周围扩展,形成一个类似球瓣状的反应区,如图3中标有碎点的部分,在球瓣的下端处存在一缩颈部。此缩颈部下,氧化反应以速度υn继续往下进行。随着熔渣为辅助气体排除和激光束向前行进,就扩展成图3(a)右图所示形状。上述过程不断重复,就形成切口并将工件割开。图3(b)、(c)为不同切割速度时切口前沿反应区的一些同反应有关参数的测定值。在正常切割情况下,切口宽度取决于聚焦以后的光斑直径。而工件上表面处的切口宽度相当于功率密度约为15kW/cm2以上的光束分布区的尺寸。可见,用聚焦后能量高度集中的激光束可以获得较窄的切口宽度。

研究表明,用O2作辅助气体,用CO2激光对碳钢进行切割时,切口前沿的温度TF和激光束至切口前沿的距离rF同切割速度有密切关系。图4为不同切割速度时切口前沿在离上表面0.4mm处测得的温度TF值以及切口前沿与光束轴线之间的距离rF。由图可知,切割速度低于2m/min时,切口前沿的温度是1650℃。当切割速度大于2m/min时,切口前沿的温度则随着切割速度的加快而提高,至切割速度为10m/min时达到2150℃,同时值rF减小。

2.2  激光切割主要方式

从切割过程不同的物理形式来看,激光切割大致可分为汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制断裂切割四类。

2.2.1  汽化切割

当高功率密度的激光照射到工件表面时,材料在极短的时间内被加热到汽化点,部分材料化作蒸气逸去,形成割缝,其功率密度一般为108W/cn2量级,是熔化切割机制所需能量的10倍,这是大部分有机材料和陶瓷所采用的切割方式。汽化切割机理可具体描述如下。

① 激光束照射工件表面,光束能量部分被反射,剩余部分被材料吸收,反射率随着表面继续加热而下降。

② 工件表温升高到材料沸点温度的速度非常快,足以避免热传导造成的熔化。

③ 蒸汽从工件表面以近声速飞快选出,其加速力在材料内部产生应力波,当功率密度大于109W/cm2时,应力波在材料内的反射会导致脆性材料碎裂,同时它也升高蒸发前沿压力,提高汽化温度。

④ 蒸气随身带走熔化质点和冲刷碎屑,形成孔洞,汽化过程中,60%的材料是以熔滴形式被驱除的。

⑤ 当功率密度大于108W/cm2时,形成相似于点载荷那样的应力场,应力波在材料内部反射。

⑥ 如果发生过热,来自孔洞的热蒸气由于高的电子密度,会反射和吸收入射激光束。这里存在一个最佳功率密度,对不锈钢,其值为5×108W/cm2,超过此值,蒸气吸收阻挡了所增加的功率部分,吸收波开始从工件表面朝光束方向移开。

⑦ 对某些光束局部可透的材料,热量在内部吸收,蒸发前沿发生内沸腾,以表面下爆炸形式驱除材料。

2.2.2  熔化切割

利用一定功率密度的激光加热工件使之熔化,同时依靠与光束同轴的非氧化性辅助气流把孔洞周围的熔融材料吹除、带走,形成割缝。其所需功率密度约为汽化切割的1/10。熔化切割的机理可概括如下。

① 激光束照射到工件表面,除反射损失外,剩下能量被吸收,加热材料并蒸发成小孔;

     一旦小孔形成,它作为黑体将吸收所有光束能量,小孔被熔化金属壁所包围,依靠蒸气流高速流动,使熔壁保

持相对稳定;

③ 熔化等温线贯穿工件,依靠辅助气流喷射压力将熔化材料吹走;

     随着工件移动,小孔横移并留下一条切缝,激光束继续沿着这条缝的前沿照射,熔化材料持续或脉动地从缝内

被吹掉。

对薄板材料,切割速度过慢会使大部分激光束直接通过切口白白损失能量,速度提高使更多光束照射材料,增加与材料的耦合功率,获得保证切割质量的较宽参数调节区,对厚板材料,由于激光蒸发作用或熔化产物移去速度不够快,光束在割缝内材料切面上多次反射,只要熔化产物能在它被冷气流凝固前除去,切割过程将继续进行。

所有激光切割口边缘都呈条纹状,其原因是:①切割过程开始于导致氧燃烧的某功率值,而在较低的功率水平停止;②切割断面斜度是如此的陡,以致在它上面的功率密度不能持续地维持熔化过程,而在切割面形成台阶,使切割面在切割过程中间歇地前进;③切割产生的吸收或反射等离子或烟雾可引起间歇效应。

2.2.3  氧助熔化切割

利用激光将工件加热至其燃点,利用氧或其他活动性气体使材料燃烧,由于热基质的点燃,除激光量外的另一热源同时产生,同时作为切割热源。氧助熔化切割其机制较为复杂,简要分析如下。

① 在激光照射下,材料表面加热到达燃点温度。随之与氧气接触,发生激烈燃烧反应,放出大量热量。在此热量作用下,材料内部形成充满蒸气的小孔。小孔周围被熔融金属壁所包围。

② 蒸气流运动使周围熔融金属壁向前移动,并发生热量和物质转移。

③ 氧和金属的燃烧速度受控于燃烧物质转移成熔渣,和氧气扩散通过熔渣到达点火前沿的速度。氧气流速越高,燃烧化学反应和材料去除速度也越快。同时,也导致切缝出口处反应产物──氧化物的快速冷却。

④ 最后达到燃点温度的区域,氧气流作为冷却剂,缩小热影响区。

⑤ 显然,氧助切割存在着两个热源:激光照射能和氧-金属放热反应能。粗略估计,切割钢时,氧放热反应提供的能量要占全部切割能量的60%左右。很明显,与惰性气体比较,使用氧作辅助气体可获得较高的切割速度。

⑥ 在拥有两个能源的氧助切割过程中,存在着两个切割区域:一个区域是氧燃烧速度高于光束行进速度,这时割缝宽且粗糙;另一个区域是激光束行进速度比氧燃烧速度快,所得切割缝狭窄而光滑。这两个区域间的转折是个突变。

2.2.4  控制断裂切割

通过激光束加热,易受热破坏的脆性材料高速、可控地切断,称之为控制断裂切割。其切割机理可概括为:激光束加热脆性材料小块区域,引起热梯度和随之而来的严重机械变形,使材料形成裂缝。控制断裂切割速度快,只需很小激光功率;功率太高会造成工件表面熔化,并破坏切缝边缘。控制断裂切割主要可控参数是激光功率和光斑尺寸。

2.3  激光切割过程中能量的分析

激光切割的一个重要因素是入射激光在工件切口烧蚀前沿的吸收,它是激光进行有效切割的基础。激光的吸收取决于激光的偏振性、模式、烧蚀前沿的形状和倾角、材料性质以及氧化程度等一系列因素。烧蚀前沿由吸收的激光和切割过程的放热反应所产生的热量加热而熔化或汽化,并被气流吹除。部分热量则通过热传导传入基体材料,通过辐射以及对流换热而损耗。

在激光切割的加热阶段,钢板在激光照射下,其表面被加热到达燃点温度(取为970℃)。在此阶段,输入能量只有激光束的照射能量,其能量被钢板吸收使其温度升高。

在燃烧反应开始后,激光与Fe-O反应的燃烧热作为输入能量,共同作用于工件上,会发生热量的累积效果。假设没有蒸发潜热,则热平衡方程为:

                             PlasQoxidHtQcond                                              1

式中    Plas──工件吸收的激光功率;

       Qoxid──单位时间切缝金属燃烧放出的热量;

Ht──单位时间工件的焓变;

Qcond──单位时间热传导热量损失。

能量从切割区损失的方式有传导、对流和辐射。根据:Lim研究报道可知,激光切割中最主要的热损失是由于热传导,而热辐射以及对流导致的散热非常小,以至于可以忽略不计。该结论也被PowellVicanekSimon证实。

切割过程的能量平衡方程中,工件吸收的激光功率Plas由式(2)得到:

                             PlasAPout                                                      2

式中    A──工件对激光的吸收率;

      Pout──激光器输出功率。

材料对激光的吸收率受到波长、温度、表面粗糙度、表面涂层等多因素影响。经过试验验证,波长愈短,吸收率越高。材料对激光的吸收率随温度而变化的趋势是随温度升高而吸收率增大,金属材料在室温时的吸收率均很小,当温度升高到接近熔点时,其吸收率可达40%~50%;如温度接近沸点,其吸收率高达90%。并且,激光功率越大,金属的吸收率越高。增大表面粗糙度和利用涂层材料也都可以提高吸收率。

而单位时间切缝金属燃烧放出的能量由Fe-O燃烧反应决定,因此必须分析此过程中所发生的物理化学变化。在Fe-O燃烧过程中,铁与氧气的反应有三种方式:

                             2FeO22FeO267kJ                                          3

3Fe2O2Fe3O1120.5kJ                                        4

4Fe3O22Fe2O3823.4kJ                                        5

这些反应都是放热反应,根据上述反应式计算可得到单位质量Fe生成氧化物时所放出的热量。在氧气助熔化激光切割过程中究竟会发生哪种氧化反应,可以通过熔渣成分的分析来确定。应在紧靠工件的底面收集熔渣,否则熔渣中的熔融Fe可能会在空气中被不断地氧化成FeO,而影响对熔渣成分的分析。

从图5可以看出燃烧反应主要以式(3)为主,在切割速度低于0.5m/min时,由于割缝部位氧气供应充足,燃烧反应占了主要成分,几乎所有的Fe都参与了燃烧反应生成FeO,还有一小部分生成了Fe3O4。随着切割速度的加快熔渣中Fe的成分在不断增加。这说明,在切割速度较高时,利用激光束能量熔化工件的比重增加,而Fe-O燃烧反应的比重降低。当低速切割时,FeO占多数,此时以Fe-O的燃烧热为主;由于切割速度跟不上燃烧反应的速度,过剩的反应热就使切口发生过度熔化,形成较宽的、不整齐的切口,切口的表面粗糙度大、热影响区也将扩大,钢板底面还会产生挂渣,从而使切割质量下降。

因此单位时间切缝金属燃烧放出的热量Qoxid可由下式得到:

                                 Qoxid=μMFeOQ/mt                                          6

式中    Q──Fe的燃烧热;

MFeO──FeO的摩尔质量;

μ──熔渣中的燃烧过的铁占的比例,一般为40%~60%;

         mt──单位时间燃烧的切缝金属质量,mt=ρmbhδυ;

ρm──切缝金属的密度;

bh──切缝宽率;

δ──被加工钢板的板厚;

υ──激光光束的移动速度。

单位时间内的焓变:

                                 Htmt(cThm)                                          7

式中    Ht──单位时间内的焓变;

        mt──单位时间燃烧的切缝金属质量;

         c──比热容;

T──温升,△TTmTo

Tm──为工件的熔点温度;

To──为环境温度;

hm──熔化相变的比焓。

可见焓变由两部分组成:①切缝金属加热到熔点的热量;②将之熔化的热量。

mt是切割速度及切缝宽度的函数,故Qoxid也是切割速度及切缝宽度的函数。由前面的讨论可知,Ht亦为速度的函数,故通过求解热平衡方程,可获得切割速度的值。

由式(1)可得QcondPlasQoxidHtQcond即为温度场的热源。

2.4  激光切割过程温度场的数学模型

为了建立数学模型,将钢板的激光切割过程分为两个阶段:激光打孔和激光切割。加工开始时,激光以集中固定点热源的方式照射在钢板的起割点处,钢板吸收激光的能量并转换为热能,由于输入能量大于输出能量,起割点处的温度不断上升,并向周围传热。此时,只有激光的能量作为输入能量,可被看作点热源加热钢板。当温度达到钢材的燃点970℃后,在辅助气体氧气的参与下,Fe-O的燃烧反应开始从其中一点处开始,并逐步向周围扩展,由于受到带有一定压力氧气的向下冲击力的作用以及燃烧反应所产生的熔渣的重力作用,燃烧反应不断向金属下层传播。当燃烧反应将钢板烧穿后,反应物Fe3O4FeO以及熔融的Fe所构成的熔渣被辅助气体从烧透的小孔中吹出,至此切割过程的第一阶段激光打孔结束。从燃烧开始后,激光和Fe-O反应的燃烧热作为输入能量可被看作点热源对钢板作用。

当钢板在激光和燃烧反应的共同作用下被烧穿后,激光光源开始以一定的切割速度向前移动。在切割前沿处,由于氧气喷嘴随激光同时移动,燃烧反应所需的氧气很充足,又有激光束作为输入能量在烧穿的小孔内壁不断被反射吸收,加上前一阶段打孔时热传导的预热效果,使得Fe-O燃烧反应可以迅速地连续进行。随着切割前沿金属的不断燃烧、熔化和排除,就在钢板上形成了割缝,这一阶段就是激光的切割阶段。在切割过程中,由于切割前沿的割缝处燃烧反应一直进行,在整个板厚上不断地有熔渣产生,激光和Fe-O反应的燃烧热可被作为线热源处理。

根据热传导微分方程,再代入具体条件,就可以推导出点热源、线热源和面热源的瞬时传热计算公式。

可以考虑在瞬时把点热源的热能Q作用在存大钢板的某点上,假定钢板的初始温度均匀为0℃,边界条件不考虑表面散热问题,则在距热源为R的某点经t时间后,所形成的温度场是以R为半径的等温半球面。其相应的传热计算公式为:

式中    Q──热源在瞬时给钢板的热能;

        R──距热源的坐标距离,R=(x2y2z21/2

        t──传热时间;

        c──被加工材质的比热容;

ρ──被加工材质的密度;

α──被加工材质的热扩散率。

在厚度为h的无限大薄板上,当热源沿板厚方向热能均匀分布作用于钢板上某处时,即相当于线热源。假设钢板的初始温度为0,不考虑钢板与周围介质的换热问题,则据热源为r的某点,经t后,由于没有z向传热,所形成的温度场是以r为半径的平面圆环。其传热计算公式为:

式中,r=(x2y2+)1/2

在瞬时之内把热能Q作用在断面为F的工件上,即相当于面状热源传热。同样也假设工件的初始温度为0℃,边界条件不考虑散热,则距热源中心为x的某点,经t时间后该点的温度可用下式运算求得。

以上是根据最简单的情况,利用数学分析法求解出不同情况下瞬时集中点热源、线热源和面热源作用后,经t时间后某点的温度计算公式。这些公式能够定性地反映传热的实际情况。但是,由于这些计算公式的原始假设条件的局限性,故不能完全定量地确定温度,只能作为定性估算。

根据前面的分析,在激光切割加工的第一阶段打孔过程中,激光以及Fe-O燃烧热作为热源应属于点状连续固定热源。此时可以认为热源在t时间内是无数个瞬时热源作用的总和,其作用结果应等于各个瞬时热源独立作用时使计算点温度变化的累积。则在瞬时热能为dQ(dQqdt) 的热源连续作用t时间(△ttt) ,距热源为R的某点将产生dT的温度变化。再把无数个瞬时热源的作用积分,即可求出连续固定热源作用t时间后该点的温度。

对上式积分运算后,可得:

根据前面的分析,在激光切割的第二阶段切割过程中,激光以及Fe-O燃烧热作为热源应属于线状连续快速移动热源。当激光以一定功率照射钢板时,开始一段时间内,温度场中的各点随时间的变换而变化,属于不稳定温度场;在钢板厚方向基本烧穿后,温度场就逐渐达到了饱和状态,形成了暂时稳定温度场,又可称为准稳定温度场。此时钢板上割缝周围的温度场虽然会随时间而变化,但随着激光束的移动,可发现这个温度场与热源以同样的速度跟随移动。如果采用移动坐标系,坐标的原点与热源的中心相重合,则钢板上各点的温度值取决于系统的空间坐标,而与时间无关。

由于热源的移动速度通常都大于2m/min,而且激光切割的热影响区很小,因此可以认为在热源产生的准稳态温度场范围内,在瞬间热源就由一端移到了另一端,如同一个细长的热源瞬时作用在工件上;又因为热源移动得很快,可以认为在热源移动的轴线上不存在温度梯度,只在该轴线的垂直方向上有热的传播过程。

为了便于分析,现将图6所示的薄板上截取ABCDabcd之间的截片之后,就如同一个面状瞬时热源作用在方形的细棒上。Xo即为热源移动的轴线方向,其中热源有效功率为q,速度为υ,薄板厚度为h。则工件上某点经t时间后的温度计算公式可利用面状瞬时热源的传热公式得到。

 

 式中,yo为工作上某点到热源运行轴线的垂直距离。

根据上面对激光切割过程的理论分析和建立的数学模型,就可以利用计算机的计算能力,模拟出激光切割过程中工件在t时刻某点温度、颜色、状态等的变化。

可以看出影响激光切割的参数很多,其中一些内部因素k、ρ、C、λ等在加工过程中变化比较小,可作为常数处理。而外部因素Pout、υ、h等在加工过程中经常会发生变化,进而影响激光切割的加工效果。

3  激光切割的工艺分析

激光切割是熔化与汽化相结合的过程,影响其切割质量的因素很多,除了机床、加工材料等硬件因素之外,其他软件因素也对其加工质量有很大的影响。根据实际切割中出现的问题,结合激光切割本身的特点,研究这些软件因素对加工质量的影响正是计算机辅助工艺设计的基本内容,具体包括以下几点:

① 打孔点的选择,根据实际情况确定打孔点的位置;

② 辅助切割路径的设置;

③ 激光束半径补偿和空行程处理;

④ 通过板材优化排样来节省材料尽可能提高板材利用率;

⑤ 结合零件套排问题的路径选取;

⑥ 考虑热变形等加工因素影响后的路径。

3.1  打孔点位置的确定

激光切割要从一个起始点开始切割,这个点叫做打孔点,具体来说打孔点就是指激光束开始一次完整的轮廓切割之前在板材上击穿的一个很小的孔,因为下面紧接着的切割就是从这一点开始,所以有时又称为“引弧孔”,也可以叫做切割起始孔。对于没有精度要求或要求不高的板材切割可以直接将打孔点设置在零件的切割轮廓上。由于打孔点的形成需要一段预热时间而在其周围形成热影响区,加上打孔点的直径比正常切缝大,因此打孔点处的质量一般比线切割的质量差得多。如果将打孔点设置在零件轮廓上,就会大大影响零件的加工质量,所以对于精密加工,为了提高切割质量,保证加工精度,必须在切割路线的起点附近设置一个打孔点,也就是将打孔点设置的板材废域上而不可以直接设置在零件轮廓上。

打孔点的合理设置对于零件的切割质量有很重要的影响。设置合理的打孔点距离零件切割路线起点的长短值也是很重要的。这是因为,激光切割的成本很高,如果这个值设置的很长,那么就会增加加工的成本,同时也降低了加工的效率;而脉冲激光从激光束产生到各项参数如激光功率等基本保持稳定需要一个过程,所以也不能将这个值设置的很短;另外,如果考虑激光切割板材的热流影响,那么情况将更加复杂,所以合理的打孔点位置非常重要。同时打孔参数和切割参数也是有区别的,切割参数在打孔的情况下变成了打孔时间。打孔时间是打孔过程中一个很关键的参数,这个时间短了打不穿板材,长了又会使材料产生较大的熔损,因此这个参数的选取也要根据板材材质和厚度的不同,经过反复实验获得最佳的数据。

3.2  辅助切割路径的设置

零件轮廓以外的切割路径统称为辅助切割路径,精密加工时,设置辅助切割路径是保证零件外轮廓切割质量的一条很重要的工艺措施。激光切割最终是利用热能熔化和汽化板材达到切割的目的,所以如果出现散热不均匀而产生热量集中的现象是地,就可能降低加工精度,甚至烧坏零件,因此设置辅助切割路径是非常有必要的。辅助切割路径分为两类:一类是“切入、切出辅助路径”,即引入、引出线;另一类是“环形辅助路径”。

3.2.1  切入、切出辅助路径的设置

“切入、切出辅助路径”即在精密加工时,为了使零件轮廓光滑,过渡流畅,引入、引出线从轮廓以外切入、切出零件的辅助路径。对于精度要求不高的钣金下料,可以将“引弧孔”直接设置在零件的轮廓上,不加入引入、引出线,但是由于“引弧孔”的直径比正常的切缝大,所以对于精密加工,为了提高切割质量,保证加工精度,应将“引弧孔”设置于板材废域上而不能直接设置在零件轮廓本身上。总之,引入、引出线的设置就是为了使激光束质量稳定,避开引弧孔对整个零件轮廓切割的影响。切割时从引入线进入,切割完毕后从引出线退出。

3.2.2  环形辅助切割路径的设置

设置辅助切割路径是保证零件外轮廓切割质量的重要工艺措施。激光切割最终是利用热能熔化和汽化板材达到切割的目的,如果出现散热不均而产生热集中应可能影响加工质量,尤其在零件尖角切割时最容易出现此现象,大大降低了零件的加工精度,甚至烧坏零件。所以在外轮廓的夹角部位设置一段封闭的环形辅助切割路径,这样就可以保证零件的切割精度,如图7所示,环形辅助路径的设置就是为了在不改变激光功率和切割速度的情况下完成对外轮廓尖锐部位的正常切割。目前在实际切割过程中,还可以通过功率/速度(P/υ)控制来保证零件尖角的加工精度,避免产生热集中,如图8所示,用户自行设定P/υ控制范围、d的大小。当切割接近轮廓尖角部位时,及时降低激光器功率和切割速度,使热量均匀分布在零件轮廓上,从而保证了加工的质量。

 

3.3  激光束半径补偿和空行程处理

由于激光束存在发散,因此聚焦后不可能是一个几何点而是一个具有一定直径的光斑,精度切割时必须对其进行半径的自动补偿。在实际的激光切割中,光斑直径一般在100500μm,自动补偿时激光束中心轨迹偏离理论轮廓一个光斑半径,并对偏移后的中心轨迹进行处理。

激光头喷嘴在切割板材时,为了确保激光束的焦点在板材上的位置不变,需要在喷嘴上附加一个随动装置以保证激光的正常切割。这样就引发了另一个问题,即当激光喷嘴的切割路径从已切割且落料后的区域中通过时,由于随动装置要保持激光束焦点的位置,则会出现激光头下落,导致加工受阻停止,严重的还会损坏激光头。因此,在激光切割排好样的板材时,零件与零件之间的过渡需要激光头喷嘴有一段空行程。为了防止空行程时激光头喷嘴下沉,损坏激光器,空行程应避开已经切割掉的板材空洞。

3.4  优化排样及其算法

在板材的激光切割中,零件在板材上的排放方法是影响材料利用率以及生产周期的关键。手工排样工作效率较低,自动排样不仅大大提高了材料的利用率,而且使生产周期大大缩短。对于多个零件间的嵌套排列,合理的排放零件位置使得用料最省,优化排样非常重要。

所谓优化排样是指将待切割零件的形状轮廓放置在给定规格大小的钢板上进行优化排列,使得钢板的利用率尽可能的高。一般来说自动排样常常与交互排样相结合以达到排样结果的最优化。

在优化排样过程中还应该考虑排样预处理、切割工艺、切割效率等问题。尤其是零件连续切割和共边切割的问题。目前有很多的自动排样系统都得到了广泛的应用。优化排样的目的是在给定大小的板材上安置尽可能多的零件,或将给定的零件安置在尽可能小的板材上,从而使材料利用率尽可能高。国外学者对二维自动优化排样提出了很多算法,如人机交互法、解析函数法、启发式搜索法和两步法等。

3.5  结合零件套排问题的路径选取

在实际激光切割板材中,切割质量与其复杂的几何形状相关。为了提高板材的利用率,排样进常常是采用零件套排的形式,对于这种排好样的板材零件的切割,合理的切割顺序应是从里到外,以防止由于板材变形而导致加工质量受到影响。在切割排列大小不一的零件板材上,应先切割小件,后切割与其相邻的大件,目的也是为了防止板材变形。

3.6  考虑热效应对路径的影响

在激光切割锐角孔槽过程中,由于工件过热而导致了切割质量不可避免的下降,鉴于此,在路径选取时还要考虑这方面的工艺处理,应努力做到寻找一条优化的切割路径以满足用户对切割质量的要求。这一优化的路径不仅要使切割行程尽可能短(含空行程),而且还应该考虑在该路径下切割的过程中产生的工件热量的影响,而将这两方面有机的结合形成真正的适合激光切割过程的路径才是最有实用价值的。因此,在实际的激光切割过程中要想获得较高的生产效率和较好的加工质量,不但需要考虑切割行程尽可能的最短,还要考虑其热影响因素,尽可能地使加工过程中产生热量的影响最小,减小热变形或由于过热而引起的板材报废,参见图9。图9(a)中没有考虑热效应对切割路径的影响,虽然切割路径较短,但是不能获得较好的加工质量;而图9(b)中考虑了热效应对切割路径的影响,减小了热变形,保证了良好的加工质量。

综上所述,激光切割板材的工艺要素包括很多方面。在激光切割加工过程中,切割路径和切割速度将决定切割加工的时间。在切割速度一定的情况下,激光切割路径的选取将直接影响切割加工的时间,从而影响切割加工的效率。

4  激光切割的质量评价

4.1  激光切割零件的尺寸精度

在一般材料的激光切割过程中,由于切割速度较快,零件产生的热变形很小,切割零件的尺寸精度主要取决于切割设备的数控工作台的机械精度和控制精度。

在脉冲激光切割加工中,采用高精度的切割装置与控制技术,尺寸精度可达μm量级。在连续激光切割是地,零件的尺寸精度通常在±0.2mm,个别的达到±0.1mm。表1CO2脉冲激光切割SK3高碳钢时的尺寸偏差。

1  CO2脉冲激光切割SK3高碳钢时的尺寸偏差

试样尺寸/mm

实测的尺寸偏差/μm

试样的尺寸分散度/μm

79.0×45.0矩形

ф4.7圆孔

50以下

80以下

±10以下

±30以下

注:切割参数:脉冲峰值功率450W;脉冲脉宽比48%;脉冲频率400Hz;切割速度0.5m/min

 

4.2  激光切割的切口质量

目前国际上对激光切割的质量评价还没有一个统一的标准,我国尚无有关激光切割面质量的标准,日本也无专用标准,检测激光切割质量的主要依据引用部分JISWES(焊接规格)等。在CEN(欧洲标准化机构)和ISO(国际标准化机构)讨论了有关激光切割的标准化问题。以EU为主的提供的有关ISO9000系列质量保证方法,具体研究了激光切割的详细标准和对标准试件的规定。其内容包括有关切割质量的等级划分、设定样品的标准、加工样品的标准、价格样品的机种、详细的光学系统、振动器及光束特性等。

激光切割的切口质量要素示意如图10所示。主要体现在切口宽度、切割面的体面斜角以及切割面的粗糙度等。

1)切口宽度

激光切割金属材料时的切口宽度,同光束模式和聚焦后的光斑直径有很大的关系,CO2激光束聚焦后的光斑直径一般在0.150.3mm之间。激光切割低碳钢薄板时,焦点一般设置在工件上表面,其切口宽度与光斑直径大致相等。随着切割板材厚度的增加,切割速度下降,就会形成上宽下窄的楔形切口,如图10(a)所示,且上部的切口宽度也往往大于光斑直径。一般来说,在正常切割时,CO2激光切割碳钢时的切口宽度约为0.20.3mm

2)切割面的倾斜角

在激光切割厚金属板材时,切口会呈现出上宽下窄形,有时在下口面也出现倒V形,如图10 (b)所示,工件切割实验表明,切割面倾角的大小同切割方向有关,但一般都在1°以内,基本上看不出明显的倾角。

CO2切割不锈钢板时,为避免粘渣,焦点位置通常设在表面以下部位,因而其倾角比碳钢切割略大,即使在不锈钢薄板场合也出现倾斜的切割面。在激光切割功率密度P03×106W/cm2的条件下,切口下缘的倒V形塌角量△F与板料厚度t的关系可以下式近似表示:

                             F≈(1025t (μm                                     14

P0增大,△F值就减小。因此采用高功率密度的激光束切割时,△F值就不明显。

3)切割面的粗糙度

影响切割面粗糙度的因素较多,除了光束模式和切割参数外,还有激光功率密度、工件材质和厚度。对于较厚板料,沿厚度方向切割面的粗糙度较大差异,一般上部小,下部粗。在用激光功率1kW切割低碳钢的场合,当P03×106W/cm2时,切割面粗糙度Rz可用下式估算:

                             Rz≈(35t (μm                                        15

23kWCO2激光切割低碳钢中厚板时切割面最大粗糙度的实测数据,从中看出切割面粗糙度随板厚的差别。

2  3kW CO2激光切割低碳钢中厚板时切割面最大粗糙度/μm

板厚/mm

9

12

16

19

平均值

11.0

11.72

17.76

12.88

19.48

25.56

17.32

20.72

42.16

25.96

29.64

54.16

17.04

20.39

37.66

平均值

12.49

22.97

27.07

35.58

25.03

注:切割参数:激光功率3kW;辅助气体O20.370.47MPa;离焦量+0.5mm

 

5  影响激光切割质量的因素

影响激光切割质量的因素很多,除了切割参数和工件本身特性的影响以外,还同照射功率密度、外光路系统、喷嘴直径和喷嘴与工件表面间距等影响因素有关。综合国内外大量的理论研究和实验分析,影响激光切割质量的主要因素可以分为两类:①一类是加工系统性能和光的影响;②另一类是加工材料因素和工艺参数的影响。

具体参看图11所示。在影响激光切割质量的诸多因素中,有的是由加工工作台本身确定的,如机械系统精度、工作台振动程度等;有的是材料固有的因素,如材料的物理化学性质、材料的反射率等;而还有一些因素是要根据具体的加工对象以及用户质量的要求作出选择,进行相应的调整,来确定相关的参数,如输出功率、焦点位置、切割速度以及辅助气体等等。因此,对于一个完整的系统,必须对其可调因素与加工质量之间的关系进行深入的研究,建立相关的数据库。

5.1  激光功率对切割能力和质量的影响

激光切割的质量主要包括几个方面:尺寸精度、切口宽度、切割面的粗糙度和热影响区的宽度及硬度。

① 激光功率与切割厚度  激光功率越大,所能切割的材料厚度也越厚;但相同功率的激光,因材料不同,所能切割的厚度也不同。表3给出了各种功率的CO2激光切割某些金属材料的实验最大厚度。

3  激光功率与切割金属的最大实用厚度

CO2激光功率/W

实用最大切割厚度/mm

碳素钢

不锈钢

铝合金(A5052

黄铜

1000

1500

2000

3000

15000

12

12

22

25

80

9

12

14

55

3

6

10

1

3

5

5

2

4

5

8

② 激光功率与切割速度  CO2激光切割不同板厚不同材料时的激光功率与切割速度的关系见图12,可见,功率与板厚的比值同切割速度成正比关系。在相同的激光功率条件下,激光有氧切割的速度比激光熔化切割要快得多。

③ 激光功率与表面粗糙度  在激光切割加工中,照射到工件上的激光功率密度P0W/cm2)和能量密度E0(J/cm2)对激光切割过程起着重要的影响。激光功率密度P0与切割面粗糙度的关系如图13所示,随着激光功率密度的提高,粗糙度降低。当功率密度P0达到某一值(3×106W/cm2左右)后,粗糙度Rz值不再减少。

5.2  激光束的质量

1)光斑直径

激光切割的切口宽度同光束模式和聚焦后光斑直径有很大的关系。由于激光照射的功率密度和能量密度都与激光光斑直径d有关,为了获得较大的功率密度和能量客度,在激光切割加工中,光斑尺寸要求尽可能小。而光斑直径的大小主要取决于振荡器输出的激光束直径及其发散角的大小,同时与聚焦透镜的焦距有关。对于一般激光切割中应用较广的ZnSe平凸聚焦透镜,其光斑直径d与焦距ƒ、发散角θ及未聚焦的激光束直径D之间的关系可按下式进行计算:

激光束聚焦状况及发散角与光斑直径的关系如图14所示,由图可知,激光束本身的发散角较小,光斑的直径也会变小,就能获得好的切割效果。

减小透镜焦距ƒ有利于缩小光斑直径,但ƒ减小,较深缩短,对于切割较厚板材,就不利于获得上部和下部等宽的切口,影响割缝质量;同时,ƒ减小,透镜与工件的间距也缩小,切割时熔渣会飞溅黏附在透镜表面,影响切割的正常进行和透镜的实验寿命。

透镜焦长小,光束聚焦后功率密度高,但焦深受到限制。它适用于薄件高速切割,只需注意恒定控制透镜和工件间距。长焦透镜的聚焦光斑功率密较低,但其焦深大,可用来切割厚断面材料。

透镜焦长、焦深与光斑大小的关系如图15所示。从图可见:焦长短,聚焦光斑小;焦长长,聚焦光斑也大,焦深变化也如此。当透镜焦长增加,使聚焦光斑尺寸增加1倍,即从Y2Y时,焦深可随之增加到4倍,即从X4X

对于实际切割应用来说,最佳的光斑尺寸还要根据被切割材料的厚度来考虑。如用同一输出功率激光束切割钢板,随着板厚增加,为了获得最佳切割质量,光斑尺寸也应适当增大。

2)光束模式

光束模式与它的聚焦能力有关,与机械刀具的刃口尖锐度有点相似。最低阶模是TEMoo,光斑内能量呈高斯分布。它几乎可把光束聚焦到理论上最小的尺寸,如几个微米直径,并形成陡尖的高能量密度。激光模式示意如图16。而高阶或多模光束的能量分布较扩张,经聚焦的光斑较大而能量密度较低,用它来切割材料如一把钝刀。

模式涉及腔内激光沿着平行于腔轴一个或多个通道振荡的能力。基模即最低阶模(TEMoo),意味着激光仅沿腔轴发生,在输出总功率相同情况下,基模光束焦点处的功率密度比多模光束高两个数量级。一个千瓦级TEMoo光束用63.5mm焦长透镜在焦点处可获108109W/cm2功率密度光斑,足以把像钨那样的高熔点金属汽化。

对切割来说,基模光束因可聚焦成较小光斑获得高功率密度,而比高阶模光束有利。试验表明:采用基模CO2激光器进行薄板切割比采用多模激光器时质量要好很多,即使基模激光功率(500W)比多模功率(1500W)低很多时,切缝也小很多,这主要是因为基模时激光功率密度较高的缘故。用它来切割材料,可获得窄的切缝、平宜的切边和小的热影响区。其切割区重熔层最薄,下侧粘渣程度最轻,甚至不粘渣。

光束的模式越低,聚焦后的光斑尺寸越小,功率密度和能力密度越大,切割性能也就越好。在低碳钢的切割场合,采用基模TEMoo时的切割速度比采用TEM01模式时高出10%,而其产生的粗糙度Rz则要低10μm,如图17所示。在最佳切割参数时,切割面的粗糙度Rz只有0.8μm。图18为激光切割SUS304不锈钢板时不同模式对切割速度的影响,从中可以看出,采用功率为500W的基模激光的切割速度为2.0m/min,而同样功率的复式模激光,其切割速度只有1.0m/min

 

因此,在金属材料的激光切割中,为了获得较高的切割速度和较好的切割质量,一般使用TEMoo模式的激光,复式低价模激光仅用于某些非金属材料的切割。

3)光束偏振性

几乎所有用于切割的高功率激光器都是平面偏振,也就是在发射光束内电磁波都在同一平面内振动。电磁波在垂直于工件的平面或表面内平面振动,对能量耦合效应的差别较小。在表面处理和焊接领域,光束的偏振问题并不重要。但在切割过程中,光束在切割面上不断反射,如果光束沿着切缝方向振动,光束能将被最好地吸收。

光束偏振与切缝质量密切有关。在实际切割中发生的缝宽、切边粗糙度和垂直度变化都与光束偏振有关。与任何形式的电磁波传输一样,激光束具有电和磁的分矢量,它们相互垂直并与光束前进方向成直角。在光学领域,传统上以电矢量的方向作为光束偏振方向。

偏振方向的重要性对某些材料(如大多数金属和陶瓷等)在激光束的吸收程度上体现出来。

1981年,丹麦工业大学材料加工研究所的学者用500W CO2激光器切割的0.7mm的钢板时,发现在一个方向上的切割速度为其垂直方向切割速度的2倍。特别是在用数控高速切割时,切割速度方向性的变化十分明显。由于偏振的结果,使得切缝的下部分的割面产生偏斜,如图19所示。

20为光束偏振位向与切割质量的关系示意,切割工件运行方向与光束偏振方向平行,便会产生狭窄、平直切边。当工件运行与光束偏振面成一角度时,能量吸收减少,最佳切速降低,切缝变宽,切边渐粗糙并且不平直,有一斜度。一旦工件运行方向与偏振位向完全垂直,切边不再成斜坡,切速更慢,切割质量显得粗糙。

对复杂构件来说,很难保持光偏振方向与工件运行方向平行,一般是通过控制光束成圆偏振方式来获得均匀一致的高质量切缝。在聚焦前,谐振腔射出的线偏振光束先经特殊附加的镜片──圆偏振镜。然后转换成圆偏振光束,从而消除线偏振光束对切割质量不良的方向效应。在允许的最高切割速度下,圆偏振光束切割的切面质量仍能在各个方向保持一致,切缝底部区切面角与切割方向偏离90°的现象也被消除。

5.3  辅助气体和喷嘴的影响

5.3.1  辅助气体

一般情况下,材料切割都需要使用辅助气体,尤其是活性气体,其有四个目的:①与金属产生放热化学反应,增加能量强度;②从切割区吹掉熔渣,清洁切缝;③冷却切缝邻近区域,减小热影响区尺寸;④保护聚焦透镜,防止燃烧产物沾污光学镜片。辅助气体的类型和压力对激光切割效率和质量有很大的影响。通常,辅助气体与激光束同轴由喷嘴喷出,以保护透镜免受污染并吹走切割区底部熔渣,使切割过程顺利持续进行。切割过程中辅助气体的使用有利于提高工件对激光的吸收率。因为某些金属对激光的反射率较高,而辅助气体受高能量激光照射后会迅速离解成等离子体,这些等离子体紧贴在工件表面,具有良好的吸收激光的能力,并将所吸收的光能传递到工件上,使切口区迅速加热到足够高的温度;对于铁系金属的切割,采用O2作辅助气体,由于切口区中发生铁氧反应,提供了大量的热,使切割过程加速,从而提高了切割能力和质量。因而,在激光切割时,辅助气体是必需的,而且也是非常重要的。

使用什么样的辅助气体,牵涉到有多少热量附加到切割区问题,如分别使用氧和氩作为辅助气体切割金属时,热效果就会出现很大的不同。据估计,氧助切割钢材时,来自激光束的能量仅占切割能量的30%,而70%来自氧与铁产生的放热化学反应能量,但有些材料的氧助切割化学反应太激烈,引起切边粗糙,所以,像切割铌那样的活泼金属,推荐使用20%~50%氧作辅助气体,或直接使用空气。当要求获得高的切边质量时,也可使用惰性气体,如切割钛。

非金属切割对气体密度或化学活性要求没有金属那样敏感,如当切割有机玻璃时,气体压力对切割厚度并无明显影响(图21)。

激光切割对辅助气体的基本要求是进入切口的气流量要大,速度要高,以便有充足的气体使切口材料充分进行放热反应,并有足够的动量将熔融材料喷射带出。喷嘴气流压力过低,吹不走切口处的熔融材料;压力过高,易在工件表面形成涡流,削弱了气流去除熔融材料的作用。

5.3.2  喷嘴

辅助气体的气流及大小与切割用喷嘴的结构和形式紧密相关,常用的喷嘴结构如图22所示。喷嘴孔尺寸必须允许光束顺利通过,避免孔内光束与喷嘴壁接触。显然,喷嘴内径越小,光束准直越困难。另外,喷嘴喷出的辅助气流必须与去除切缝内熔融产物和加强切割作用有效地耦合。

23和图24表示在一定的激光功率和辅助气体压力下,喷嘴直径对2mm厚低碳钢板切割速度的影响。从中可以看出,有一个可获得最大切割速度的最佳喷嘴直径值。不论是氧气还中氩气作为辅助气体,这个最佳值大约为1.5mm左右。对切割难度较大的硬质合金的激光切割试验表明,其最佳喷嘴直径值也与上述结果极为接近,如图25所示。

 

 

另外,喷嘴大小还影响热影响区大小和切缝宽度等切割质量,如图26所示。可见,随着喷嘴直径增加,热影响区变窄,其主要原因是从喷嘴中出来的气流对切割区母材产生强烈的冷却作用。喷嘴直径太大会导致切缝过宽;而喷嘴太小会引起准直困难,诱使光束被小的喷嘴口削截。故常用喷嘴直径为ф11.5mm

5.3.3  喷嘴气体压力的影响

增加气体压力可以提高切割速度,但到达一个最大值后,继续增加气体压力反而会引起切割速度的下降。从图27和图28看出,最大切割速度是激光功率和工件板厚的函数。在高的辅助气体压力下,切割速度降低的原因除可归结为高的气流速度对激光作用区冷却效应的增强外,还可能是气流中存在的间歇冲击波对激光作用区的干扰。气流中存在不均匀的压力和温度,会引起气流密度的变化。1981年,KamaluSteen用纹影照相技术,确定在气体压力较高时在喷嘴前方的工件表面上有一个密度梯度场存在,其形状和大小取决于气体压力、喷嘴直径以及喷嘴端面和工件距离。这样的密度梯度场导致场内折射率改变,从而干扰光束能量的聚焦,造成再聚焦或光束发散,如图29所示。这种干扰会影响熔化效率,有时可能改变模式结构,导致切割质量下降。如果光束发散太甚,使光斑过大,会造成不能有效地进行切割的严重后果。

 

 

5.3.4  喷嘴与工件表面距离的影响

喷嘴气流与工件切缝耦合是个气动力学问题,排出气流形式和喷嘴与工件间距都是重要变量。喷嘴口离工件板面太近,会产生对透镜的强烈返回压力,影响对溅散切割产物质点的驱散能力;但喷口离工件板面太远,也会造成不必要的动能损失。控制工件与喷口的距离一般为12mm。对异型工件的切割主要靠自动调节高度装置,如触头、回流压力和电感、电容变化等反馈装置。

5.4  切割速度的影响

激光切割的速度对切割工件质量有很大的影响,工件所允许的最大切割速度要根据能量平衡和热传导进行估算,在一定的切割条件下,有最佳的切割速度范围。在阈值以上,切割速度直接与有效功率密度成正比,而后者又与光束模式或光斑尺寸有关。因此切割速度随下列因素变化:光束功率、光束模式、光斑尺寸、材料密度和开始汽化所需能量、材料厚度。

在特定的参量下,切速可适当改变,以期获得不同的切割质量。对金属而言,不同厚度材料切割时,都可有一个质量满意的切割速度范围,如图30所示,其中曲线的上限表示可切透的最高速度,下限表示防止材料切割时发生过烧的最低切速。图31分别为钢在某一功率条件下,材料厚度和切割速度的关系曲线。

 

切割速度对热影响区大小和切缝宽度有较大的影响,图32表明,随着切割速度增加,切缝顶部热影响区和缝宽都单一地减小,但切缝底部则出现最小值。

切割速度大小对切口粗糙度的影响如图33所示。速度过低时,因氧化反应热在切口前沿的作用时间延长,切口宽度增大,切口波浪形比较严重,切割面也变粗糙。随着切割速度的加快,切口逐渐变窄,直至上部的切口宽度相当于光斑直径。此时切口呈上宽下窄的楔形。继续增加切割速度,上部切口宽度仍继续变小,但下部相对变宽而形成倒楔形。

综上所述,切割速度取决于激光的功率密度及被切材料的性质和厚度等。在一定切割条件下,有最佳的切割速度范围。切割速度过高,切口清渣不净;切割速度过低,则材料过烧,切口宽度和材料热影响区过大。

5.5  焦点位置的影响

激光切割时的焦点位置对割缝宽度和表面粗糙度产生很大的影响。由前面的分析,激光切割时的气流密度梯度场造成的再聚焦光束,在切割起始时可能使焦点位置在工件表面以下,随着加工的进行,焦点逐渐移至接近表面。焦点位置的变化对切割质量带来较大的影响,图34所示为焦点位置的变化对切缝宽度的影响,可以看出,当切割焦点位置刚置于工件表面以下(约1/3板厚)可以获得最大的切割深度和最小的割缝宽度。

焦点位置对切口粗糙度的影响如图35,图中横坐标αb为表面至聚焦透镜的距离与透镜焦距的比值。从图中可以看出,当0.988<αb1.003时,切口最好。

6  常用工程材料的激光切割

6.1  金属材料的激光切割

6.1.1  碳钢

低碳钢板的激光切割是激光切割技术应用最广泛的领域。通常,厚度在10mm以内碳钢钢板可良好地进行氧助激光切割。已有的研究表明,低碳钢内磷、硫偏析区的存在会引起切边的熔蚀,所以,含杂质低的优质钢(如冷轧板),其切边质量优于热轧钢。稍高的含碳虽可略为改善碳钢的切边质量,但其热影响区也有所扩大。对于镀锌或涂塑薄钢板(板厚0.52.0mm),激光切割速度快,省材料,也不会引起变形。切缝附近热影响区小,近缝区锌或塑料涂层不受损坏。当板厚在1.66.0mm的范围内,光束焦点刚位于工件表面以及氧气压力恒定保持在1.4kgf/cm2的条件下,根据激光功率和切割速度变化。观察低碳钢切割质量可分为以下三个区。

① 精细切割区─切面光滑、无粘渣。

② 轻微粘渣区─熔轻微黏着,一经轻擦即可除去。

③ 牢固粘渣区─熔渣被牢固黏着,处于不能切割的边缘。

36所示为激光切割低碳钢板时切割参数间的关系。可见,随着功率密度的提高,切割速度和可切割板厚均可增加。如所切割的板厚增加,则采用较大直径的喷嘴和较低的氧气压力,以防止烧坏切口边缘。

采用CO2激光切割低碳钢板的最大切割厚度可以下面方法近似估算:在激光功率1001500W范围内,激光功率的瓦数除以100,即为最大切割厚度的毫米数。

37表示低碳钢的上限切速(即开始粘渣的速度)和激光功率在板厚不大于6mm范围内的对数依存关系。按此实验值可推出经验公式:

υ=3.5t-0.56P1.4                                                     17

式中,υ为上限切割速度;t为板厚;P为激光功率。

利用式(17),可根据激光功率对厚6mm以内低碳钢粗略地估计精细切割的切割速度;对较厚板9mm12mm低碳钢,在2kW激光功率和0.17MPa1.7kgf/cm2)氧气压力条件下,获得精细切割的切速分别为1.2m/min1.0m/min。这个数值要比用上式计算所得值小,其原因主要在于此公式适用的板厚范围不大于6mm

6.1.2  不锈钢

不锈钢薄板的激光切割在工业生产中也占有较大的比重,不锈钢和低碳钢的主要区别是其成分的不同,因而切割机理也有所不同。不锈钢含有10%~20%的铬,由于铬的存在,倾向于破坏氧化过程。切割时不锈钢中的铁和铬均与氧发生放热反应,其中铬的氧化物有阻止氧气进入熔化材料内部的特性,而使进入熔化层的氧气量减少,熔化层氧化不完全,反应减少,使切割速度降低,如图38所示。与低碳钢相比,不锈钢切割需要的激光功率和氧气都较高,而且,不锈钢切割虽可达到较满意的切割效果,但却很难获得完全无粘渣的切缝。

利用惰性气体作为辅助气体切割不锈钢可获得无氧化切边,直接用来焊接,但其切割速度与氧作辅助气体相比要损失50%左右。

影响不锈钢切割质量的最重要参量是切割速度、激光功率、氧气压力和焦长。图38和图39分别表示激光功率、切割和氧气压力对2mm304不锈钢切割质量的影响。

6.1.3  铝合金

由于铝合金对波长为10.6μmCO2激光高的反射率和热导率,因此铝合金的起切十分困难,其激光切割需要比钢更高的激光能量密度来克服阈值,形成初始空洞开始切割过程,一旦这种汽化空洞形成,它就像钢一样对激光有极大的吸收率。为了改善铝表面的吸收,可打磨其起始切割表面使之变粗糙、涂吸光材料等,也可从预先钻孔处或边缘起切。铝合金切割时也用辅助气体,主要用来从切割区吹掉熔融产物。它并不需要靠它来发生放热化学反应取得附加热量,属于熔化切割机制,通常可获得较好的切割质量。有时熔渣也会沿着切边黏附在切缝背面,但这种黏附很易去除。

对铝合金激光切割的研究表明,每一材料厚度都存在一个临界焦长。当实际焦长小于这个值时,切割将不能进行。同时,也存在一个最佳焦长值,当实际焦长与它相同时,可获得最大切割速度。

与切割低碳钢相比,在同样的激光功率下,铝合金的切割速度和可切板厚较低,如图40所示。

6.1.4  钛及合金

根据国内已有的切割经验,由于钛与氧化学反应激烈,切割过程喷氧易引起过烧,故宜采用喷压缩空气,以保证钛切割质量。激光切割Ti-6Al-4V钛合金构件,切割速度快,切边不需要抛光,底部切边有少许粘渣,也很容易清除。图41表示Ti-6Al-4V钛合金切割速度与板厚及功率的关系,用CO2激光切割钛合金的典型切割速度如表4

 

4  CO2激光切割钛合金的典型切割速度

板厚/mm

激光功率/W

切割气体

切割速度/m. s-1

1.6

2.2

2.2

6.4

6.4

2.5

500

500

500

500

1000

1000

氩气

氩气

氧气

氧气

氧气

氧气

0.025

0.025

0.033

0.017

0.033

0.10

 

    6.1.5  铜合金与镍基合金

铜与铝相似,对CO2激光上仍高反射率并具有高的热导率,纯铜由于具有很高的反射率,用CO2激光切割的速度很慢。黄铜(铜合金)切割时要采用较高的激光功率,辅助气体采用空气或氧。采用CO2激光吹氧切割的典型的切割速度见表5。采用高重复频率增强脉冲CO2激光能较好切割铜合金。

5  CO2激光吹氧切割铜合金的典型切割速度

切割气体

板厚/mm

激光功率/W

切割速度/m. s-1

纯铜

纯铜

纯铜

黄铜

黄铜

黄铜

1

2

1

1

2

1

1500

1500

1000

1500

1500

1000

0.025

0.008

0.017

0.005

0.025

0.033

对镍基合金也可以进行激光切割,随合金成分的不同,切割速度大约为切割同等厚度不锈钢的切割速度的0.51.0倍。

6.2  非金属材料的激光切割

非金属材料是10.6μm波长CO2激光束的良好吸收体,由于其热导率小,热量的传导损失很小,几乎能吸收全部入射光束能量,并很快使材料蒸发,在光斑照射处形成起始孔洞,进入切割过程的良性循环。

6.2.1  有机材料

1)木材切割

激光切割木材有两种不同的基本机制:瞬间蒸发和燃烧,激光切割木材取决于切割时功率密度值大小。瞬间蒸发是木材切割较理想的切割机制,木材在聚焦激光束照射下蒸发除去,形成切缝。在此过程中,材料切割速度快,热量传输不到未切割基材,剖面无炭化,仅有轻微发暗和釉化。而切割的燃烧机制源自光束功率密度不足,是一种不理想的切割过程,其表现为切割速度慢。单位材料切割所费的能量要比蒸发机制增加24倍,并且切边有炭化。实际的木材切割过程,差不多在蒸发的同时都伴有燃烧过程发生,这是因为蒸发机制虽具有高效能的优点,但需要高的激光功率密度。而实际的激光照射过程,由于受激光输出功率或光束模式的影响,在材料光照表面总有部分区域的光束功率密度低于蒸发所需的功率密度值。木材切割也需要有与光束同轴的辅助气流,一般为压缩空气。

激光切割木材的切面质量比常规方法好,切面质量上的粗糙、撕裂或绒毛木纹现象并不明显,只是切面有一薄炭化层。层压模切板用激光切割缝口是连续CO2激光切割工业应用的成功例子。家具业用1.7kW功率激光切割厚达38mm木板的速度可达1.0m/min,且没有割边,节省了大量材料。另外,还可利用激光束进行木材雕刻。

2)塑料切割

利用激光的高能量密度汽化胶合剂,迅速破坏聚合材料的聚合链,从而实现对塑料的激光切割。低熔热塑料切割只要控制工艺,就可获得无毛剌的底边,切缝光滑、平整。对高强度塑料,由于需要较高的单位光能强度以破坏其连接强链,切割中经常会有燃烧发生,使切边产生不同程度的炭化。切割像聚氯乙烯一类材料应注意防护切割过程中燃烧产生的有害气体。

新的轻质纤维增强塑料用通常的切割工具很难加工,可在层叠固化前用激光切割薄片(厚度约0.5mm左右)。但对固化后的厚断面工件,特别像硼和碳纤维一类材料,由于切边易引起炭化、分层和热损伤,激光切割也较困难。

6.2.2  无机材料

1)石英切割

石英线膨胀系数较低,对激光切割适应性好。虽然切缝附近有个浅热影响区,但切边质量好,无裂纹,切面光滑,不需再进行辅助清理,切割厚度可达10mm,切割速度比锯切加工高两个数量级,且工件不承受任何冲击力。在卤素灯制造业已用激光切割代替金刚石锯切,切割时没有尘埃,切边封接性好。切缝窄,如激光切割外径813mm的石英管,切缝宽仅0.5mm,而机械切缝达1.5mm,从而可节省材料。

2)陶瓷切割

导热性差和几乎没有塑性的陶瓷材料,一般的冷、热加工都很困难。激光切割陶瓷与氧助切割金属材料的机制迥然不同,它属于可控导向断裂。当激光束顺着预定的切割方向加热时,在光点周围很小区域引起定向的加热梯度和随之生成的高机械应力。这种高应力使陶瓷这类脆性材料形成小裂缝。只要工艺参数选择并控制恰当,裂缝将严格沿着光束移动方向不断形成,从而把材料切断。如微电子装置用的刚玉材料,用250W功率的激光束就能精确地在指定部位切出要求尺寸,切割后无质点撕裂,也不需要后续处理。

42表示切割1mm厚的Al2O3陶瓷片时激光工艺参数关系。陶瓷切割采用较小激光输出功率进行。在不同功率控制下,切割速度可在较宽范围选择。试验表明,在连续CO2激光束条件下,切勿采用高功率,否则,将导致材料无规则龟裂而使切割失败。

用于涡轮发动机上的硬脆陶瓷(如氮化硅),其激光切割速度要比砂轮切割高10倍,它既无刀具损耗,且可切出任何形状。

3)有机玻璃切割

透明有机玻璃由纯聚甲基丙烯酸制成,在激光切割时,汽化为甲基丙烯酸甲脂。如果吸走汽化物的空气流的压力足够低(10kPa)则切口可以很清澈。如果气流压力较高,将在熔融材料中形成涡流,使熔融材料固化在切口上。在这种情况下,沿着切口上部1mm左右可以看到白色不透明的带。采用大直径喷嘴(2mm)容易得到低速气流,但空气压力过低将导致甲基丙烯酸着火燃烧,在切割区由此火焰产生的热量将烧坏工件甚至使工件燃烧起来。图43为用500WCO2激光切割时的切割速度和厚度的关系,可以看出,激光切割有机玻璃的速度很高。切割不透明有机玻璃时,切割速度可能下降20%,因为它们是聚甲基丙酸甲酯和填料的复合物。填料通常为有机物,切割中以尘埃的形式排出。某些白色有机玻璃填料含量最高,从而提高了切割温度,以致有可能将切口炭化。由于聚合物分解和气泡在切口上滞留,激光切割降低了有机玻璃的抗拉强度。若要承受载荷和挠曲,则必须去除切口痕迹。但大多数激光切割的有机玻璃都用作显示牌,没有强度要求,在这方面激光切割取得了很大的成功。

6.3  复合材料的切割

复合材料有不同类型,即有不同的组合。对性质相同的两种或多种材料组合,一般激光切割并不困难。对两种切割性能完全不全的材料组合,总的原则是先切割具有较好切割性能的材料的那一面,这样比较容易获得好的切割质量。当然,如果把两种切割性能截然不同的材料,其中甚至包括不能切割的材料组合在一起,就会是另一种切割结果。用激光切割电缆外包绝缘体就是一个典型的应用实例,在电线电缆工业中,为了连接电缆或从废电线上回收缆心,需要除去电缆外包塑料层。利用铜心对激光高的反射率和它本身的高热导率,在激光束照射下,铜缆的外包绝缘层可很方便地切去,而铜心本身因不能被切割而保存下来。

7  激光切割安全

激光具有很高的能量密度和功率,激光装置中存在数万伏的高压,因此激光切割时必须注意安全,避免发生各种人身伤害事故。

7.1  激光对人体的危害

1)对人体眼睛的伤害

激光照射在人体眼睛上,由于激光强烈的加热作用,会造成视网膜损伤,严重会导致人眼致盲。激光的反射具有同样的危险性,尤其在加工反射率较高的材料时,强反射光对眼睛的危害与直射光相近,另外,温反射光会使眼睛受慢性伤害,引起视力下降。

2)对皮肤的伤害

人体皮肤受聚焦激光的直接照射,会使皮肤割裂、灼伤,且伤口很难愈合。受紫外光、红外光的长时间照射,会引起皮肤老化,导致炎症和皮肤癌等。

3)有害气体

激光加工某些材料时,这些材料因受高强激光强烈照射而蒸发,产生各种有毒的烟尘,在切割面附近形成的等离子体会产生臭氧,这些都会对人体有一定的危害。另外,某些可燃的非金属材料和金属材料(如镁合金等),在加工过程中受到激光照射时间的稍长时会发生燃烧,引起火灾。

7.2  激光切割的安全防护

为了防止各种伤害事故发生,必须做好激光切割的安全防护措施。

1)激光切割设备的安全防护

激光器设备可靠接地,维修门应有连锁装置,电容器组有放电措施。在激光加工设备上应设有明显得危险警告标志和信号灯。由于CO2激光人眼看不见,激光的光路系统应尽可能全部封闭,且设置于较高的位置,特别是外光路系统应用金属管封闭传递,以防止对人体的直接照射。激光加工工作台应采用玻璃等防护装置,以防止反射光,激光加工场地设有栅栏、隔墙和屏风等,防止无关人员进入加工区。

2)对人身的保护

现场工作人员必须佩戴对激光不透明的防护眼镜,其滤光镜要根据不同的激光波长选用。对于波长为10.6μmCO2激光,可佩戴侧面有防护的普通眼镜或太阳镜。激光加工区工作人员应尽量穿白色的工作服,以减少激光温反射的影响。激光加工区应设置有通风或排风装置,做到室内空气流畅。操作人员必须经过岗前培训,以了解激光器的各项性能。操作要领和安全知识。

3)其他防护措施

在激光加工区域不要存放易爆、易燃物品,如激光氧助切割时使用的氧气瓶等,应隔离放置在另外室内。激光加工室应放置灭火器材,防止在切割过程中火灾发生时的紧急处理,在切割过程中要及时清理易燃的切割渣等。

8  激光切割技术的发展

激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术,由于具有诸多特点,已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门。近年来,激光切割技术发展很快,国际上每年都以20%~30%的速度增长。我国自1985年以来,更以每年25%以上的速度增长。由于我国激光工业基础较差,激光加工技术的应用尚不普遍,激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距。相信随着激光加工技术的不断进步,这些障碍和不足会逐步得到解决。激光切割技术必将成为21世纪不可缺少的重要的钣金加工手段。激光切割加工广阔的应用市场,加上现代科学技术的迅猛发展,使得国内外科技工作者对激光切割加工技术进行不断深入的研究,推动着激光切割技术不断地向前发展。

① 伴随着激光器向大功率发展以及采用高性能的CNC及伺服系统,使用高功率的激光切割可获得高的加工速度,同时减小热影响区和热畸变;所能够切割的材料板厚也将进一步地提高。高功率激光可以通过使用Q开关或加载脉冲波,从而使低功率激光器产生出高功率激光。

② 根据激光切割工艺参数的影响情况,改进加工工艺,如:增加辅助气体对切割熔渣的吹力;加入造渣剂提高熔体的流动性;增加辅助能源,并改善能量之间的耦合;以及改用吸收率更高的激光(YAG激光或CO2激光等)切割。

③ 激光切割将向高度自动化、智能化方向发展。将CAD/CAPP/CAM以及人工智能运用于激光切割,研制出高度自动化的多功能激光加工系统。

④ 根据加工速度自适应地控制激光功率和激光模式或建立工艺数据库和专家自适应控制系统使得激光切割整机性能普遍提高。以数据库为系统核心,面向通用化的CAPP开发工具,对激光切割工艺设计所涉及的各类数据进行分析,建立相适应的数据库结构。

⑤ 向多功能的激光加工中心发展,将激光切割、激光焊接以及热处理等各道工序后的质量反馈集成在一起,充分发挥激光加工的整体优势。

⑥ 随着InternetWEB技术的发展,建立基于WEB的网络数据库,采用模糊推理机制和人工神经网络来自动确定激光切割工艺参数,并且能够远程异地地访问和控制激光切割过程成了不可避免的趋势。

⑦ 三维高精度大型数控激光切割机及其切割工艺技术,为了满足汽车和航空等工业的立体工件切割的需要,三维激光切割机正向高效率、高精度、多功能和高适应性方向发展,激光切割机器人的应用范围将会愈来愈大。激光切割正向着激光切割单元FMC、无人化和自动化方向发展。

 
 
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