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        激光切割不銹鋼工藝淺析

        2013-01-01 00:00:00王雷
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2013年4期

        摘 要:激光切割不銹鋼技術(shù)就是利用激光束照射到鋼板表面上很小的區(qū)域范圍,激光束能量高度集中對(duì)不銹鋼板局部迅速加熱,不銹鋼蒸發(fā),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不銹鋼的切割。激光切割技術(shù)切割速度快、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各個(gè)材料領(lǐng)域。

        關(guān)鍵詞:激光切割;不銹鋼板;工藝

        1 激光切割不銹鋼工藝特點(diǎn)

        激光切割不銹鋼技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)。激光切割不銹鋼有多種方法,可以在二氧化碳激光中在切割斷面加氧氣,也可以加氮?dú)?。其中,加氧氣切割,?huì)在切割面形成氧化膜;加氮?dú)馇懈钸吘墰]有氧化膜和毛刺,不需要作進(jìn)一步處理。對(duì)于切割不銹鋼薄板,通常為4mm以下的不銹鋼,激光切割是一個(gè)非常有效的加工工具,能夠保證不銹鋼薄板良好的耐腐蝕性。相對(duì)較厚的板也可以用激光切割,但切割部件的尺寸誤差也增大了。

        1.1 激光切割的切縫窄、加工精度高,工件變形小

        激光切割原理和過程是:激光源一般用二氧化碳激光束,激光束聚集在很小的區(qū)域范圍,聚焦焦點(diǎn)升溫快,能量高度集中,局部形成的熱量?jī)H有少量熱傳到鋼材的其它部分,但是熱量傳導(dǎo)的部分遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于激光束輸入的熱量。不銹鋼材料迅速加熱汽化,進(jìn)而蒸發(fā)形成空洞,激光束移動(dòng),使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫,從而完成切割。由于不銹鋼板局部升溫快,熱量被傳導(dǎo)的少,切邊受熱影響很小,因此切口寬度窄,一般只有0.1-0.5mm,工件基本不變形。

        不銹鋼切割加氧氣可以對(duì)較厚的不銹鋼板進(jìn)行切割,切割最大厚度為20mm。氧作為輔助汽體與熔融金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng),該化學(xué)反應(yīng)放熱,產(chǎn)生氧化材料,同時(shí)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣流能幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣,切割表面光潔美觀,因此切縫一般不需要再加工即可焊接,方便了后續(xù)加工。激光切割加工的不銹鋼板無毛刺、皺折、精度高。激光切割不需要模具,而且目前由微機(jī)程序控制,現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件,不使用模具,也無須修理模具,不僅節(jié)省了加工費(fèi)用、降低了生產(chǎn)成本,而且節(jié)約了更換模具的時(shí)間。

        1.2 切割速度快

        采用2KW的激光功率,8mm厚的碳鋼切割速度為1.6m/min;2mm厚的不銹鋼切割速度為3.5m/min,不銹鋼越薄切割速度就越快,從而提高生產(chǎn)效率。

        1.3 切割能量高、密度可控性好

        激光束熱量傳遞少,局部熱量高,可實(shí)現(xiàn)狹窄的直邊割縫,熱影響區(qū)寬度很小,切縫附近材料的性能也幾乎不受影響,局部變形很小,可忽略不計(jì)。激光切割與被加工工件無接觸,工件無機(jī)械變形,因?yàn)闆]有刀具也就不存在刀具變形的情況,不用更換磨損刀具,降低刀具打磨、購(gòu)買成本;在加工不同形狀的零件時(shí)更談不上更換刀具,改變輸出參數(shù)就能滿足不同形狀的加工。由于與計(jì)算機(jī)相結(jié)合,便于對(duì)不銹鋼板的整體排料,節(jié)約原料,也容易形成自動(dòng)化加工。

        1.4 清潔、安全、無污染

        激光切割技術(shù)大大改善了操作人員的工作環(huán)境,由于切割過程沒有刀具與共建的摩擦接觸,因摩擦產(chǎn)生的噪音就沒有了。因此,激光切割具有噪聲低,振動(dòng)小,無污染的特點(diǎn)。

        1.5 缺點(diǎn)

        受激光器功率和設(shè)備體積的限制,激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材,隨著工件厚度的增加,切割速度、切割精度等明顯下降。激光切割設(shè)備費(fèi)用高,激光切割設(shè)備的價(jià)格約為150萬元以上,一次性投資大。

        2 影響激光切割精度的因素

        切割精度是衡量激光切割工藝好壞的重要組成部分,不銹鋼切割精度不僅取決于激光切割設(shè)備的精度,也取決于如下多個(gè)因素:

        2.1 激光束的形狀。激光束通常為錐形,切出來的縫隙自然也是錐形,在這種情況下,厚度越小的不銹鋼的切縫就越小,工件厚度越大,精度也就會(huì)越低,因此切縫越大。

        2.2 光斑大小。錐形的激光光束聚集后光斑會(huì)越變?cè)叫?,切縫就會(huì)越來越窄,該激光切割的精度也變得越來越高。最小的光斑可以達(dá)到0.01mm。光斑大小嚴(yán)重影響著激光切割精度。

        2.3 材料成分不同。切割的精度會(huì)因材料的成分不同存在差異,同一材質(zhì),局部使用材料會(huì)有所不同。激光切割精度在一定程度上也受工件材質(zhì)的影響。

        2.4 工作臺(tái)。無論是簡(jiǎn)單的工作臺(tái),還是高精度的工作臺(tái),會(huì)導(dǎo)致高精度的激光切割效果。在數(shù)控機(jī)床中,工作臺(tái)是可以移動(dòng)的,工作臺(tái)移動(dòng)軌跡的精度,工作臺(tái)的平整度等也會(huì)對(duì)切割精度有影響。

        3 切割常見工藝及問題分析

        3.1 熔化切割穿孔技術(shù)

        輸入的激光束功率密度大,能量高,光束照射點(diǎn)處材料內(nèi)部開始蒸發(fā),形成孔洞,小孔被熔化金屬包圍,與光束同軸的輔助氣流把孔洞周圍的熔融材料帶走。工件移動(dòng),小孔按切割方向同步橫移形成一條切縫完成切割。

        對(duì)于熱切割技術(shù),一般都必須采用沖頭在板上穿一個(gè)小孔然后再用激光從小孔處開始進(jìn)行切割的方法,只有少數(shù)加工工件在加工時(shí)可以從板邊緣開始。對(duì)于沒有沖壓裝置的激光切割機(jī)有兩種穿孔的基本方法:爆破穿孔:材料經(jīng)連續(xù)激光的照射后在中心形成一個(gè)凹坑,與激光束同軸的氧流很快將熔融材料去除形成一個(gè)孔??椎拇笮∨c板厚有關(guān),對(duì)較厚的板爆破穿孔孔徑較大,且不圓,不宜在加工精度要求較高的零件上使用,只能用于廢料上。此外由于穿孔所用的氧氣壓力與切割時(shí)相同,飛濺較大。脈沖穿孔:采用高峰值功率的脈沖激光使少量材料熔化或汽化,常用空氣或氮?dú)庾鳛檩o助氣體。穿孔直徑較小,其穿孔質(zhì)量?jī)?yōu)于爆破穿孔。所使用的激光器具有較高的輸出功率,須要有較可靠的氣路控制系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)氣體種類、氣體壓力的切換及穿孔時(shí)間的控制。在采用脈沖穿孔的情況下,為了獲得高質(zhì)量的切口,過渡技術(shù)應(yīng)加以重視,在工業(yè)生產(chǎn)中主要采用同時(shí)改變脈沖寬度和脈沖頻率的辦法,取得良好的效果。

        3.2 氧化熔化切割

        材料在激光束的照射下在氧氣中被點(diǎn)燃,與氧氣發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng),這種反應(yīng)是放熱的反應(yīng),進(jìn)一步釋放熱量,在熱量作用下,不銹鋼上形成小孔,小孔被熔融的金屬包圍,不銹鋼內(nèi)部是充滿蒸汽的小孔,氧氣的氧氣流吹走熔渣,氧氣流速越高,燃燒化學(xué)反應(yīng)越劇烈,去除熔渣的速度也越快,但是氧氣流速也應(yīng)控制,不宜過快,若切縫口快速冷卻對(duì)切割質(zhì)量不利。當(dāng)然,氧氣流速不是越高越好,因?yàn)榱魉龠^快會(huì)導(dǎo)致切縫出口處反應(yīng)產(chǎn)物即金屬氧化物的快速冷卻,這對(duì)切割質(zhì)量也是不利的。氧化熔化切割過程激光照射產(chǎn)熱,氧化反應(yīng)也產(chǎn)熱,因此使用氧作輔助氣體可獲得較高的切割速度。

        3.3 切割加工小孔(直徑小與板厚)變形情況的分析

        解決切割加工小孔徑變形常用的處理方式是根據(jù)激光切割機(jī)的功率大小選擇不同的切割方法。對(duì)于大功率激光切割機(jī),在加工程序中應(yīng)將脈沖穿孔的軟穿刺方式改為爆破穿孔的普通穿刺方式,即采用爆破穿孔方式保證空洞表面光潔、無毛刺、變形小。對(duì)于較小功率的激光切割機(jī)在小孔加工為保證表面光潔度,應(yīng)采取脈沖穿孔的方式。

        4 結(jié)語(yǔ)

        激光切割技術(shù)切割不銹鋼,可以大大降低加工成本,雖然激光設(shè)備一次性投資大,但是后續(xù)工藝成本被降低,綜合來說,采用激光切割還是可取的。激光切割不銹鋼工藝可以用到多種產(chǎn)品的加工,如切割不同圖案的工藝品,不銹鋼字,汽車制造等領(lǐng)域,加工時(shí)間減少,工件質(zhì)量較高。

        參考文獻(xiàn)

        [1]李大生,陳文,田新紅.不銹鋼板的CO2激光切割工藝研究[J].機(jī)械工程師.2011年第4期

        [2]激光切割的工藝過程及其參數(shù)分析.中國(guó)機(jī)床商務(wù)網(wǎng).2009年02月.

        作者簡(jiǎn)介:王雷(1984-),男,2008年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè),2008年參加工作,現(xiàn)任職于哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司沖剪分廠,從事工藝工作,助理主任工程師。

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