什么是激光切割工艺
- 流程定义
激光切割是一种非接触式加工工艺，使用高功率、集中的激光束来熔化、燃烧或汽化材料。 激光光学器件将光束聚焦成大小为 0.01-0.25 毫米的强光斑。 当聚焦光束照射工件时，激光能量被材料吸收，立即将其加热至熔化或燃烧温度，从而通过热机制实现精确的局部材料去除。
这使得能够在各种材料上以高速、高精度、自动化和低力实现复杂的切割形状。 激光切割广泛用于高产量金属和非金属切割，将原材料转化为成品零件。 这是整个制造业的主要加工工艺。
- 工艺原理
激光切割应用高密度相干光能对材料进行切片。 在激光谐振器光学器件内部，光放大产生强烈的激光束。 光束具有高光谱纯度、准直度和能量密度。
切割喷嘴将激光束聚焦成一个微小的集中点，并将其引导到工件上。 激光束会熔化或挥发接触零件的少量材料。 当激光头或零件移动时，光束沿着切割路径前进，通过汽化、熔化排出或化学降解连续去除材料。
辅助气体吹走碎片，而氧气则有助于放热燃烧。 狭窄的切口可实现紧凑的半径和细节。 过程监控可自动优化切割参数。 驱动强度和光束特性的物理原理可实现多功能、高质量的激光切割。
- 设备和工具
- 激光谐振腔：增益介质、激发源和光腔产生并放大强度高达 100 kW 的相干激光束。 常见的增益介质有二氧化碳气体、晶体、光纤激光器和二极管激光器。
- 光束传输：准直和聚焦透镜通过镜子、光纤或机械臂将激光引导至切割喷嘴。 这可以精确地引导高能光束。
- 切割喷嘴：喷嘴装有聚焦光学器件，可协助气体输入以理想的气体覆盖范围引导聚焦点。
- 运动系统：多轴 CNC 平台定位激光器或零件以获得精确的光束路径。 这使得复杂的 2D 和 3D 切割图案成为可能。
- 废气捕获切割烟雾。 过滤空气处理可提高切割质量和安全性。
- 监控：传感器和摄像头检查过程、测量切口并实时调整参数。
- 屏蔽可防止危险的激光反射。 该设备采用门联锁装置全封闭。
- 应用领域
激光切割具有多种商业和工业用途，其中精度、速度、自动化和材料多功能性受到重视，包括：
- 钣金制造：激光从钣金上切割复杂的零件轮廓，同时避免冲压或机加工典型的工具痕迹。
- 汽车：它切割汽车和卡车的车身面板、仪表板、传动系统和电子部件。
- 航空航天：精密激光切割采用坚韧合金制成机翼、舱壁和配件。
- 医疗设备：切割导管、植入物和器械的精细细节。
- 电子产品：非接触式加工有利于精致的硅晶圆和电路。
- 工具和模具：激光切割擅长用钢制造冲裁/冲孔模具。
- 标牌：丙烯酸塑料、木材、纺织品和图案很容易激光切割用于展示和字母。
- 建筑：切割装饰金属板和石材饰面件。
- 优点和局限性
- 优势
- 极其精确、狭窄的切割，无需工具接触。 公差为 +/- 0.005 英寸（0.13 毫米）。
- 切割速度高达每分钟数百英寸。
- 低加工力和精细特征。 无工具颤动或加工硬化。
- 热影响区或切口最小。 畸变小。
- 切割非常硬、脆、反光的材料，如陶瓷和复合材料。
- 限制
- 设备成本高。 工件尺寸受机器体积限制。
- 一致的边缘质量需要控制参数和气体。
- 仅限于视线切割路径。 经常需要复杂的夹具。
- 对于大批量块状金属去除无效。
- 如果没有适当的控制，就有热损坏风险。
- 主要适用于平面或二维几何图形。 切割成型板材可能很困难。
- 工艺参数
切割质量很大程度上取决于选择和控制适当的参数：
- 根据材料特性，激光功率直接影响切割速度、宽度、角度和边缘光洁度。 更大的功率可提高切割能力。
- 切割速度必须平衡激光能量吸收和材料去除率。 太快会减少削减。 太慢会导致过度加热。
- 光束焦点相对于表面的位置会影响切口宽度和气体辅助效果。
- 最佳辅助气体类型和压力可清洁和冷却切口，同时根据需要辅助切割反应。
- 切削路径和顺序的数量会影响边缘光洁度、精度和产量。
- 焦距、光束模式和喷嘴设计会影响基于光学特性的切割几何形状。
- 工件的热性能、表面光洁度和反射率决定了激光兼容性。
先进的计算机建模有助于在切割前估计理想参数。 自适应过程控制进一步优化切割过程中的这些设置。
- 质量控制
激光切割涉及详细的质量检查：
- 使用光学比较器和坐标测量机检查零件设计的切割轮廓精度。 测量关键公差。
- 验证切割边缘的直线度、表面粗糙度以及是否存在浮渣或粘附碎片。 检查复合材料是否分层。
- 确认正确融合以避免未切割的切片或粘附的熔渣。 采集了冶金样品。
- 监控切割宽度可显示光束焦点的一致性，并检查熔合是否穿透整个材料厚度，且没有拖线。
- 检查热影响区是否有变色、表面熔化或裂纹等热损伤。
- 机械测试评估接头的完整性。 进行拉伸、剥离和疲劳测试。
- 确保激光束不会损坏工件的背面。
- 关联过程数据以验证生产设置是否处于控制之中。
ANSI 和 ISO 切割质量标准适用于拉线、条纹、炭化、锥度等属性。正确的校准、固定和气体输送有助于获得高质量的切割边缘。
- 发展与趋势
激光器发明于 1960 世纪 1980 年代，但直到 2 年代才用于制造，当时开发了更高功率的 CO1990 激光器。 精密数控运动系统将激光切割从固定工艺转变为高度可编程的技术。 到 XNUMX 世纪 XNUMX 年代，使用光纤激光器切割金属变得可行。
最近的趋势包括：
- 多千瓦光纤和固态激光器可以更快地切割更厚、反射性更强的材料。 二极管泵浦光纤激光器的电插效率超过 30%。
- 动态光束和过程控制利用传感器反馈进行实时调整，从而提高边缘质量。
- 多轴切割头和机器人集成改善了 3D 切割的实现。
- 100 皮秒以下的超短脉冲激光器可最大程度地减少热量输入，对于电子产品尤其有用。
- 视觉系统对齐板材以进行切割图案或识别翘曲零件。 基于人工智能的缺陷检测。
- 激光电弧混合工艺将激光切割与电弧焊接或硬化相结合。
- 客户案例
- 航空航天涡轮机制造商使用精密激光切割，用坚韧的镍高温合金塑造复杂的翼型。 切割避免了工具力，同时处理机翼中的小半径。
- 激光切割可制造出精细的不锈钢医疗部件，例如针和支架，其边缘必须具有精确的形状、最小的毛刺且无热损伤。
- 汽车工厂对门板、保险杠横梁和铝/钢车身部件应用高速激光切割。 生产率超过冲压或机械加工。
- 带有端口和镜头切口的手机玻璃屏幕盖是通过光纤激光器从玻璃板上复杂地切割出来的，不会使脆性材料破裂。
- 激光钻孔可在过滤器中提供微穿孔，其中数千个小孔可实现关键的过滤性能，但无法以常规方式加工。
- 结语
激光束的聚焦相干能量为各行业的非接触式热切割提供了卓越的多功能性和精度。 作为一种自动化、有竞争力的工艺，激光切割将通过更高功率的激光器、改进的动态控制以及与其他工艺的集成，在速度和功能上不断进步。 凭借激光的独特属性和不断的技术改进，其用途将在制造业中不断扩大。