激光切割工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光切割工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]激光是通過原予受激輻射發(fā)光和共振放大形成的。原子具有一些不連續(xù)分布的能級，電子在最靠近原予核的軌道上轉(zhuǎn)動時(shí)是穩(wěn)定的，這時(shí)原子所處的能級為基態(tài)。當(dāng)有外界能量傳入，則電子運(yùn)行軌道半徑擴(kuò)大，原子內(nèi)能增加，被激發(fā)到能量更高能級，這時(shí)稱之為激發(fā)態(tài)或高能態(tài)。被激發(fā)到高能級的原子是不穩(wěn)定的，總是力圖回到低能級去。原子從高能級到低能級的過程稱之為躍迀。當(dāng)原子躍迀時(shí)，其能量差則以光的形式輻射出來，這就是原子發(fā)光，是自發(fā)輻射的光，又稱熒光。如果在原子躍迀時(shí)是受到外來光子的誘發(fā)，原子就會發(fā)射一個(gè)與入射光子的頻率、相位、傳播方向、偏振方向完全相同的光子，這就是受激輻射的光。
[0003]原予被激發(fā)到高能級后，會很快躍迀回低能級，它停在高能級的時(shí)間稱為原子在該能級的平均壽命。氦、氖、氪原子，釹離子和二氧化碳分子等在外來能量的激發(fā)下，使處于高能級的原子數(shù)大于低能級的原子數(shù)，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這時(shí)，在外來光子的刺激下，產(chǎn)生受激輻射發(fā)光，這些光子通過諧振腔的作用產(chǎn)生放大，受激輻射越來越強(qiáng)，光速密度不斷增大，形成了激光。
[0004]激光的特性
[0005]激光與其它光相比，具有以下的特點(diǎn):高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。
[0006](I)高亮度
[0007]激光器的發(fā)光截面和立體分散角都很小，麗輸出功率卻很大，其亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太陽的亮度，經(jīng)透射鏡聚焦后，能在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生幾千度甚至上萬度的高溫，因而能加工幾乎所有的材料。
[0008](2)高方向性
[0009]激光的高方向性主要是由受激發(fā)射機(jī)理和光學(xué)諧振腔對振蕩光束方向的限制作用所決定的。激光的高方向性使得激光能有效地傳遞較長距離，能聚焦到極高的功率密度，這兩點(diǎn)是激光加工的重要條件。
[0010](3)高單色性
[0011]激光器發(fā)出的全部光輻射只集中在很小的頻率范圍內(nèi)，其單色性極高，幾乎完全消除了聚焦透鏡的色散效應(yīng)，使得光束能精確地聚焦到焦點(diǎn)上，得到很高的功率密度，相應(yīng)的功率密度可達(dá)0.10?103/cm2，比一般的切割熱源高幾個(gè)數(shù)量級。
[0012]⑷高相干性
[0013]相干性好，在較長日寸間內(nèi)有恒定的相位差，可以形成穩(wěn)定的干涉條紋。
[0014]從以上特性可以看出，激光是一種理想的切割熱源。
[0015]從上世紀(jì)70年代后期，自從激光切割技術(shù)投入到生產(chǎn)應(yīng)用以來，發(fā)展的速度很快，切割技術(shù)也變得日趨完善，促使激光切割技術(shù)得到更多使用的主要原因是激光切割的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。激光切割是板材下料過程中的重要加工方式:與傳統(tǒng)的等離子切割、火焰切割相比，激光切割具有切縫窄、熱影響區(qū)比較小、切割速度快、切邊比較光滑等特點(diǎn)。歸納起來，激光切割的主要特點(diǎn)如下:
[0016](I)產(chǎn)品質(zhì)量可靠，切割精度高。
[0017](2)表面粗造度小，切口平行度好，對做沖模有利。
[0018](3)無工件磨損，易于數(shù)控或計(jì)算機(jī)控制，并可多工位操作，如在激光切割過程中，我們只須定位而不需要夾緊，無“刀具”磨損、無“切削力”作用于工件上。
[0019](4)加工靈活性好，既能切割立體工件，又能夠切割平面共建。
[0020](5)使用范圍非常廣泛，可切割不銹鋼、石英、陶瓷、玻璃、碳鋼、塑料、橡膠、復(fù)合材料、臺金鋼等。
[0021](6)激光切割的深寬比高，對于金屬切割可以達(dá)到20:1左右，并可以切割不穿透的盲槽。
[0022](7)切割速度快。例如采用2KW激光功率，8mm厚的碳鋼切割速度為1.6m/min ;能使板材的切割效率提高8?20倍。
[0023](8)清潔、噪聲低、安全、無污染。這些大大改善了工人的工作環(huán)境。
[0024]自從20世紀(jì)80年代以來，計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)與激光切割技術(shù)結(jié)合起來的數(shù)控激光加工技術(shù)，使激光切割技術(shù)增添了很多亮點(diǎn)，顯示出了非常大的優(yōu)越性。激光切割現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于造船、機(jī)械制造、石油工業(yè)、航空航天、汽車、包裝業(yè)、軍工等多個(gè)領(lǐng)域，為現(xiàn)代制造業(yè)注入了新的活力。
[0025]激光加工是激光應(yīng)用的首要領(lǐng)域。激光加工業(yè)興起于70年代，在西方銷售額增長很快，1970年為600萬美元，1980年為7000萬美元，1985年為2.8億美元，當(dāng)時(shí)年增長率為20%?25%，已形成一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)。
[0026]激光加工是指用高功率激光束對工業(yè)用零部件進(jìn)行切割、熱處理、焊接、打孔等等，與傳統(tǒng)加工方法相比，激光加工的特點(diǎn)是:激光束能量高度集中，加工區(qū)域小，因而熱變形小，加工質(zhì)量高、精度高，加工件不受尺寸、形狀限制，不需冷卻介質(zhì)，而且無污染，噪聲小，勞動強(qiáng)度低，效率高。激光加工技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化正在我國興起。
[0027]激光加工技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展
[0028]40多年來，激光加工技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，主要加工技術(shù)包括:激光切割、激光焊接、激光打標(biāo)、激光打孔、激光熱處理、激光快速成型、激光涂敷等。激光加工技術(shù)是激光技術(shù)在工業(yè)中的主要應(yīng)用，其加速了對傳統(tǒng)加工工業(yè)的改造，提供了現(xiàn)代工業(yè)加工技術(shù)的新手段，對工業(yè)發(fā)展影響很大。特別是激光切割已成為當(dāng)前工業(yè)加工領(lǐng)域應(yīng)用最多的激光加工方法，可占整個(gè)激光加工業(yè)的70%以上。
[0029]數(shù)控激光切割機(jī)是近十年來發(fā)展最快的鈑金加工設(shè)備。世界上許多知名企業(yè)都把激光切割作為主要加工手段，更進(jìn)一步促進(jìn)了激光切割機(jī)的發(fā)展。2003年4月在北京舉辦的第八屆中國國際機(jī)床博覽會表明，國外先進(jìn)設(shè)備制造商在數(shù)控激光切割機(jī)上都下了很大功夫，日本的AMADA、MURATA、NTC德國的TRUMPF、瑞士的BYSTR0NIC、意大利的PRIMA等都在展會上展出了各自的數(shù)控激光切割機(jī)，這些設(shè)備都不同程度的體現(xiàn)了各自廠商的特點(diǎn)和優(yōu)越的機(jī)床性能，并且具有以下共同特點(diǎn):一是都采用了先進(jìn)的飛行光路技術(shù)并帶有交換式雙工作臺，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。
[0030]激光切割當(dāng)前存在的問題
[0031]激光切割機(jī)自動化程度高，切割質(zhì)量好，切割效率高，但由于它集機(jī)、電、液、氣以及計(jì)算機(jī)等多方面知識于一身，所以普遍存在機(jī)床壽命短、切割質(zhì)量波動大、切割參數(shù)難控制、對操作者要求過高等缺點(diǎn)。國內(nèi)外研究資料表明，影響激光切割機(jī)切割質(zhì)量和切割效率的因素很多，包括激光輸出功率、切割氣體壓力、切割速度、焦點(diǎn)位置、切入點(diǎn)位置、材料厚度及材質(zhì)甚至周圍環(huán)境等等，如何選擇相關(guān)工藝參數(shù)，合理使用激光切割機(jī)，提高切割質(zhì)量切割及效率，是目前眾多生產(chǎn)廠家及用戶急待解決的實(shí)際問題。在這方面，多數(shù)廠家通過長期使用積累了一定的經(jīng)驗(yàn)值，并用其指導(dǎo)生產(chǎn)，但由于機(jī)床型號各異，參數(shù)選擇各不相同，且各因素之間關(guān)系復(fù)雜，使得經(jīng)驗(yàn)值難免帶有一定的局限性，因此在實(shí)際加工中，經(jīng)常出現(xiàn)切割質(zhì)量不穩(wěn)定而無法達(dá)到技術(shù)要求，抑制了激光切割機(jī)的發(fā)展。廣大用戶迫切希望獲得各主要加工參數(shù)選擇的理論依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0032]本發(fā)明的目的在于提出一種激光切割工藝。
[0033]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0034]—種激光切割工藝，通過控制激光的功率、脈沖頻率和壓力等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對不同厚度和硬度的金屬材料的切割，包括:定焦一一調(diào)整噴嘴與工件距離一一調(diào)整激光器功率、頻率和脈寬輔助氣氣或氧氣工件以一定的速度和軌跡運(yùn)動切割完成。定焦為工件表面以下0.3mm，噴嘴與工件的距離為Imm — 3mm，激光器的功率為100W——3000W，脈沖頻率為 IkHz--20kHz，工件移動速度為 50mm/mi η--2000mm/min。
【具體實(shí)施方式】
[0035]實(shí)施例1
[0036]—種激光切割工藝，通過控制激光的功率、脈沖頻率和壓力等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對不同厚度和硬度的金屬材料的切割，包括:定焦一一調(diào)整噴嘴與工件距離一一調(diào)整激光器功率、頻率和脈寬一一輔助氮?dú)饣蜓鯕庖灰还ぜ砸欢ǖ乃俣群蛙壽E運(yùn)動一一切割完成。切割鍍鋅鋼板時(shí)，定焦為工件表面以下0.3_，噴嘴與工件的距離為2_，激光器的功率為1500W，脈沖頻率為15kHz，工件移動速度為1500mm/min。
[0037]實(shí)施例2
[0038]—種激光切割工藝，通過控制激光的功率、脈沖頻率和壓力等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對不同厚度和硬度的金屬材料的切割，包括:定焦一一調(diào)整噴嘴與工件距離一一調(diào)整激光器功率、頻率和脈寬一一輔助氮?dú)饣蜓鯕庖灰还ぜ砸欢ǖ乃俣群蛙壽E運(yùn)動一一切割完成。切割碳化硼陶瓷時(shí)，定焦為工件表面以下0.3mm，噴嘴與工件的距離為1mm，激光器的功率為500W，脈沖頻率為1kHz，工件移動速度為50mm/min，采用相同的運(yùn)動軌跡連續(xù)切割三次。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種激光切割工藝，其特征在于通過控制激光的功率、脈沖頻率和壓力等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對不同厚度和硬度的金屬材料的切割，包括:定焦一一調(diào)整噴嘴與工件距離一一調(diào)整激光器功率、頻率和脈寬一一輔助氮?dú)饣蜓鯕庖灰还ぜ砸欢ǖ乃俣群蛙壽E運(yùn)動一一切割完成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的定焦為工件表面以下0.3mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的噴嘴與工件的距離為Imm— 3_。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的激光器的功率為10W——3000W，脈沖頻率為IkHz--20kHz。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的工件移動速度為50mm/min--2000mm/mino
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光切割工藝，通過控制激光的功率、脈沖頻率和壓力等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對不同厚度和硬度的金屬材料的切割，包括：定焦；調(diào)整噴嘴與工件距離；調(diào)整激光器功率、頻率和脈寬；輔助氮?dú)饣蜓鯕?；工件以一定的速度和軌跡運(yùn)動；切割完成。定焦為工件表面以下0.3mm，噴嘴與工件的距離為1mm-3mm，激光器的功率為100W-3000W，脈沖頻率為1kHz-20kHz，工件移動速度為50mm/min-2000mm/min。該發(fā)明能夠適應(yīng)不同硬度和不同材料的要求，切割速度快，熱影響區(qū)小，加工質(zhì)量高。
【IPC分類】B23K26/38
【公開號】CN105149796
【申請?zhí)枴緾N201510676417
【發(fā)明人】唐靖嵐
【申請人】無錫清楊機(jī)械制造有限公司
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年10月19日