淺談激光切割在鈑金行業(yè)的運(yùn)用

激光切割方式

圖1所示為激光切割的三種方式。

圖1 激光切割方式

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?yàn)椴牧系霓D(zhuǎn)移只發(fā)生在其液態(tài)情況下，所以該過(guò)程被稱(chēng)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(kāi)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(dǎo)率。

⑸激光熔化切割對(duì)于鐵制材料和鈦金屬可以得到無(wú)氧化切口。對(duì)于鋼材料來(lái)說(shuō)，會(huì)產(chǎn)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)使材料進(jìn)一步加熱。對(duì)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切口質(zhì)量更差。實(shí)際上生成了更寬的割縫、明顯的粗糙度、增加熱影響區(qū)區(qū)域和更差的邊緣質(zhì)量。

⑴激光火焰切割在加工精密模型和尖角時(shí)是有缺陷的（有燒掉尖角的危險(xiǎn)）?？梢允褂妹}沖模式激光限制熱影響區(qū)。

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(yīng)和材料的熱傳導(dǎo)率。

激光氣化切割

激光氣化切割過(guò)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，材料厚度一定不要大大超過(guò)激光光束直徑，該加工因而只適合用在沒(méi)有熔化材料排出的情況下。該加工實(shí)際上只用于鐵基合金很小的使用領(lǐng)域。

該加工不能用于木材和某些陶瓷，這些材料通常要達(dá)到更厚的切口。

⑴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。

⑵激光功率和氣化熱對(duì)最優(yōu)焦點(diǎn)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(diǎn)位置。

⑸板材厚度一定的情況下。假設(shè)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(guò)程

加工過(guò)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(shù)。

圖2 加工參數(shù)

切割過(guò)程

在進(jìn)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(gè)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(jìn)入割縫的氧氣流進(jìn)一步加熱熔化區(qū)，達(dá)到接近沸點(diǎn)溫度，產(chǎn)生的氣化把材料移走。同時(shí)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(hù)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(guò)程許多重要活動(dòng)發(fā)生在該區(qū)域，對(duì)這些活動(dòng)的分析可以得到激光切割的重要信息，可以計(jì)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(jìn)行切割的結(jié)果可能出現(xiàn)整潔的切口，或者相反，存在邊緣粗糙或過(guò)燒情況。

影響切割質(zhì)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(qiáng)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(rèn)為是含碳0.8%）。以下型號(hào)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(jié)構(gòu)。

一般來(lái)說(shuō)，組成材料的顆粒越細(xì)，切割邊緣質(zhì)量越好。

⑶表面質(zhì)量和粗糙度。

如果表面有生銹區(qū)域或氧化層，切割的輪廓將不規(guī)則并出現(xiàn)許多破損點(diǎn)；要切割波紋板，就選擇最大厚度切割參數(shù)。

⑷表面處理。

最常用的表面處理有鍍鋅、涂漆、陽(yáng)極電鍍或覆蓋分層塑料膠片。用鋅處理過(guò)的板材易在邊緣出現(xiàn)掛渣。對(duì)于涂漆的板材，切割質(zhì)量依賴(lài)于所涂產(chǎn)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(cè)無(wú)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。

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(diǎn)。切割這些材料時(shí)，要特別注意調(diào)節(jié)好焦點(diǎn)位置。

⑹熱傳導(dǎo)率。

焊接時(shí)，低熱傳導(dǎo)率的材料和高熱傳導(dǎo)率的材料相比，需要更小的功率。比如對(duì)于鉻鎳合金鋼，所需的功率要小于結(jié)構(gòu)鋼，加工產(chǎn)生的熱吸收也更少。又比如銅、鋁和黃銅這些材料焊接時(shí)會(huì)散失掉一大部分吸收激光產(chǎn)生的熱，因?yàn)闊釓墓馐繕?biāo)點(diǎn)處傳導(dǎo)開(kāi)了，所以熱影響區(qū)的材料更加難熔化。

⑺熱影響區(qū)。

激光火焰切割和激光熔化切割會(huì)導(dǎo)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厚度之間的關(guān)系，表1列出了一些參考數(shù)值。

表1 材料厚度與熱影響區(qū)域的關(guān)系

從表中可以了解：⑴加工低碳鋼或無(wú)氧鋼時(shí)，熱影響區(qū)淬火現(xiàn)象減少了；⑵高碳鋼（比如Ck60）會(huì)出現(xiàn)邊緣區(qū)域變硬現(xiàn)象；⑶硬軋鋁合金的熱影響區(qū)會(huì)比其余部分稍微軟一些。