激光切割加工的要點四大類介紹

來源：　點擊數：182次　更新時間：2024/8/9 11:23:37

以下是激光切割加工的要點： **一、設備選擇與調試** 1. 激光發生器    - 功率選擇：激光發生器的功率是一個關鍵因素。對于較薄的材料（如厚度在幾毫米以下的金屬板材或塑料板），低功率的激光（如幾百瓦）通常就足夠滿足切割需求，能實現高效、精確的切割，同時設備成本和能耗相對較低。但對于較厚的材料（如數十毫米甚至更厚的鋼材），則需要高功率的激光發生器（通常數千瓦甚至更高），以保證有足夠的能量來穿透和切割材料。例如，在切割 3mm 以下的不銹鋼板時，500W 的光纖激光發生器可能就比較合適；而切割 20mm 以上的碳鋼，可能就需要 3000W 以上的激光發生器。    - 波長特性：不同的激光波長具有不同的切割特性。常見的有 CO₂激光（波長 10.6μm）和光纖激光（波長 1.06μm 左右）等。CO₂激光在切割非金屬材料和較厚的金屬材料方面有一定優勢，其激光束容易被非金屬吸收，對一些有機材料的切割效果較好。光纖激光則在切割金屬材料方面表現出色，具有更高的光電轉換效率、更小的光束發散角和更好的聚焦能力，適合高精度、高速度的金屬切割。例如，在切割亞克力等有機玻璃材料時，CO₂激光可能更為合適；而對于不銹鋼、碳鋼等金屬材料的精細切割，光纖激光則更受青睞。 2. 切割頭    - 焦距調節：切割頭的焦距對切割質量有重要影響。根據材料的厚度和切割要求，需要合理調節焦距。對于較薄的材料，通常采用短焦距，激光束能夠更集中地作用在材料表面，切割速度快、切口窄；對于較厚的材料，一般使用長焦距，以保證激光束有足夠的能量穿透材料。例如，切割 1mm 左右的薄鋁板可以選擇 50.8mm 的短焦距切割頭；而切割 10mm 以上的厚鋼板可能需要 125mm 甚至更長焦距的切割頭。    - 輔助氣體噴嘴：輔助氣體通過噴嘴噴出，在切割過程中起到吹走熔渣、冷卻切割區域、防止氧化等作用。噴嘴的直徑、形狀和角度都需要根據具體的切割材料和工藝要求進行選擇。例如，對于薄板的高速切割，較小直徑的噴嘴可以提供更高的氣體流速和壓力，有利于提高切割質量和效率；對于厚板的切割，較大直徑的噴嘴可以保證足夠的氣體流量，防止熔渣堆積。在切割不銹鋼時，通常采用氮氣作為輔助氣體，噴嘴的角度和位置需要調整到能夠有效地將熔渣吹離切口，保證切割面的光潔度；而在切割碳鋼時，氧氣是常用的輔助氣體，噴嘴的設計要確保氧氣能夠與材料充分反應，提高切割速度。 3. 機床精度與穩定性    - 定位精度：機床的定位精度直接影響切割尺寸的準確性。高精度的機床通常采用先進的伺服電機、精密的滾珠絲杠和直線導軌等傳動部件，能夠實現精確的位置控制。例如，在電子零部件制造中，對切割尺寸的精度要求極高，可能需要機床的定位精度達到±0.01mm 甚至更高。在選擇激光切割機床時，要查看其技術參數和實際測試報告，了解其定位精度是否滿足加工需求。    - 重復定位精度：重復定位精度反映了機床在多次重復定位同一位置時的準確性。對于需要進行批量切割或復雜圖形切割的工件，高重復定位精度至關重要。如果重復定位精度差，會導致切割出來的工件尺寸不一致，影響產品質量。例如，在汽車零部件生產中，需要對相同形狀和尺寸的零件進行批量切割，機床的重復定位精度至少要達到±0.03mm 以內，以確保每個零件的一致性。    - 運動穩定性：機床在高速運動過程中的穩定性對切割質量也有很大影響。不穩定的運動會導致激光束在材料表面的作用點發生抖動，從而使切口出現鋸齒狀、粗糙度增加等問題。機床的床身結構、控制系統以及減震措施等都會影響運動穩定性。例如，一些大型的龍門式激光切割機床采用高強度的焊接床身和先進的數控系統，配合合理的減震裝置，能夠保證在高速運動下的穩定性，確保切割質量。 **二、材料特性分析與處理** 1. 金屬材料    - 不同金屬的切割特點：      - 碳鋼：碳鋼是激光切割中常見的金屬材料之一。對于低碳鋼，激光切割速度快，切口質量好，熱影響區較小。但隨著碳含量的增加，碳鋼的硬度和強度提高，切割難度也會相應增加。在切割高碳鋼時，需要注意控制激光功率和切割速度，以防止切口出現裂紋和硬化現象。例如，在切割 45 號碳鋼時，要根據其硬度和厚度合理調整激光參數，通常需要較高的激光功率和較慢的切割速度。      - 不銹鋼：不銹鋼具有良好的耐腐蝕性和抗氧化性，但其熱傳導率較低，在激光切割過程中容易產生熱量積聚，導致切口邊緣出現熱影響區和氧化變色。為了減少氧化和提高切割質量，通常采用氮氣作為輔助氣體。例如，在切割 304 不銹鋼時，使用高壓氮氣可以有效地防止氧化，獲得光亮的切割面。對于一些厚度較大的不銹鋼，還需要采用脈沖激光或調整切割工藝參數來保證切割質量。      - 鋁合金：鋁合金的激光切割具有一定的挑戰性，因為它具有高反射率和良好的導熱性。在激光切割過程中，激光束容易被反射，導致能量損失和切割效率降低。為了提高激光對鋁合金的吸收率，可以對材料表面進行預處理，如噴砂、涂覆吸光材料等。此外，在切割鋁合金時，要注意控制輔助氣體的壓力和流量，防止切口出現毛刺和熔渣堆積。例如，在切割 6061 鋁合金時，通常采用氧氣作為輔助氣體，并且適當降低切割速度，以保證切口質量。    - 材料表面處理：在進行激光切割之前，對金屬材料的表面進行適當的處理可以提高切割質量和效率。例如，去除材料表面的油污、銹跡、氧化層等雜質，可以避免這些雜質在切割過程中對激光束產生干擾，防止切口出現缺陷。對于一些表面反射率較高的金屬材料，可以采用化學腐蝕、機械打磨或激光毛化等方法來增加表面粗糙度，提高激光吸收率。例如，在切割鍍有反射膜的金屬材料時，需要先將反射膜去除，或者采用特殊的激光切割工藝來克服反射問題。 2. 非金屬材料    - 塑料：不同類型的塑料在激光切割中的表現差異較大。熱塑性塑料（如 ABS、PP、PC 等）通常比較容易切割，激光束能夠使材料迅速熔化和汽化，形成光滑的切口。但在切割過程中要注意控制激光功率和切割速度，防止材料過度熔化而產生變形或燒焦。對于熱固性塑料（如環氧樹脂、酚醛樹脂等），由于其在加熱后會發生化學變化而固化，切割難度相對較大，需要選擇合適的激光參數和輔助氣體。例如，在切割 ABS 塑料時，可以采用較低的激光功率和較快的切割速度，以避免材料過熱變形；而在切割環氧樹脂板時，可能需要采用脈沖激光和特殊的輔助氣體來保證切割質量。    - 木材：木材的激光切割需要考慮其纖維結構和含水率。對于含水率較高的木材，在激光切割過程中水分會蒸發，可能導致切口邊緣燒焦或變形。因此，在切割前最好將木材進行干燥處理，使其含水率控制在一定范圍內。此外，木材的纖維方向也會影響切割質量，通常沿著木材纖維方向切割速度更快，切口更光滑；而垂直于纖維方向切割時，可能需要調整激光參數和輔助氣體。例如，在切割硬木（如橡木、胡桃木）時，要根據其紋理和硬度合理選擇激光功率和切割速度，以防止切口出現毛刺和崩邊現象。    - 有機玻璃：有機玻璃（亞克力）是一種常見的非金屬材料，具有良好的透光性和耐候性。在激光切割有機玻璃時，要注意控制激光功率和切割速度，避免材料過熱而產生氣泡、裂紋或變形。通常采用較低的激光功率和較慢的切割速度，同時使用壓縮空氣作為輔助氣體，將切割過程中產生的熔渣吹走。例如，在切割 5mm 厚的有機玻璃時，激光功率可以設置在 30W 左右，切割速度為 3 - 5mm/s，以獲得光滑、透明的切口。 **三、工藝參數設置** 1. 激光功率    - 功率與切割厚度的關系：激光功率是影響切割能力的關鍵因素之一。一般來說，材料越厚，所需的激光功率就越大。但并不是功率越高越好，當功率過高時，可能會導致材料過度熔化、切口變寬、熱影響區增大等問題。例如，在切割 3mm 厚的不銹鋼板時，通常采用 500W - 1000W 的激光功率；而切割 10mm 厚的不銹鋼板，可能需要 2000W 以上的激光功率。    - 功率對切割質量的影響：激光功率的大小直接影響切口的表面質量和精度。功率過低會導致切割不完全，切口表面粗糙，有掛渣現象；功率過高則會使切口邊緣出現燒傷、熔化過度等問題。例如，在切割薄鋁板時，如果激光功率過高，鋁板表面容易出現氧化變色和熔渣堆積，影響外觀質量。因此，需要根據材料的特性和切割要求，合理選擇激光功率。 2. 切割速度    - 速度與材料厚度的匹配：切割速度與材料厚度密切相關。對于較薄的材料，可以采用較高的切割速度，以提高生產效率；而對于較厚的材料，切割速度需要適當降低，以保證激光束有足夠的能量切割材料。例如，在切割 1mm 厚的碳鋼時，切割速度可以達到 10m/min 以上；而切割 10mm 厚的碳鋼時，切割速度可能只有 1 - 2m/min。    - 速度對切割質量的影響：切割速度的選擇還會影響切口的質量。如果切割速度過快，激光束來不及完全熔化或汽化材料，會導致切口底部出現未切斷的現象，或者切口表面粗糙、有鋸齒；如果切割速度過慢，材料會過度受熱，熱影響區增大，切口邊緣可能會出現燒傷、變形等問題。例如，在切割亞克力材料時，切割速度過快會使切口出現裂紋和崩邊，而速度過慢則會使亞克力材料受熱變形，影響尺寸精度。 3. 輔助氣體壓力與流量    - 氣體壓力的作用：輔助氣體的壓力對切割過程有重要影響。適當的氣體壓力可以有效地吹走熔渣，防止熔渣在切口處堆積，保證切割的連續性和穩定性。同時，氣體壓力還會影響激光束與材料的相互作用，對切割質量產生影響。例如，在切割不銹鋼時，較高的氮氣壓力可以使切口更加光滑，減少氧化現象；而在切割碳鋼時，氧氣的壓力需要根據切割厚度和速度進行調整，以保證燃燒反應的充分進行。    - 氣體流量的選擇：輔助氣體的流量也需要根據切割材料和工藝要求進行合理選擇。流量過大可能會導致氣流紊亂，影響切割效果；流量過小則無法及時將熔渣吹走，影響切口質量。例如，在切割薄金屬板時，較小的氣體流量就可以滿足要求；而在切割厚板時，需要較大的氣體流量來保證切割的順利進行。對于不同的材料，氣體流量的選擇也有所不同。例如，在切割鋁合金時，氧氣的流量要適當控制，以防止氧化反應過于劇烈導致切口質量下降。 **四、質量控制與檢測** 1. 切口質量評估    - 表面粗糙度：切口的表面粗糙度是衡量切割質量的重要指標之一。表面粗糙度越小，切口表面越光滑，說明切割質量越好。可以使用粗糙度測量儀來測量切口的表面粗糙度。一般來說，激光切割的切口表面粗糙度可以達到微米級別。例如，對于一些高精度的零件加工，要求切口表面粗糙度在 Ra1.6μm 以下。影響表面粗糙度的因素主要有激光功率、切割速度、輔助氣體壓力和流量等。當激光功率過大、切割速度過慢或輔助氣體壓力不合適時，都可能導致表面粗糙度增加。    - 切口寬度：切口寬度也是評估切割質量的重要參數。切口寬度越窄，材料的浪費越少，切割精度越高。切口寬度通常受到激光束直徑、焦距、切割速度等因素的影響。在實際切割過程中，要根據材料的厚度和切割要求，合理調整這些參數，以獲得理想的切口寬度。例如，在切割薄金屬板時，切口寬度可以控制在 0.1 - 0.2mm 左右；而在切割厚板時，切口寬度會相應增加。    - 掛渣與毛刺：掛渣和毛刺的存在會影響工件的外觀質量和后續加工。如果切口處有大量的掛渣和毛刺，說明切割過程中存在問題，如激光參數不合適、輔助氣體壓力不足等。可以通過肉眼觀察或使用顯微鏡來檢查切口處的掛渣和毛刺情況。對于一些要求較高的工件，需要進行去毛刺處理，以保證產品質量。 2. 尺寸精度測量    - 長度和寬度測量：使用量具（如卡尺、千分尺等）對切割后的工件進行長度和寬度測量，檢查其尺寸是否符合設計要求。在測量時，要注意測量點的選擇和測量方法的準確性。例如，對于矩形工件，要分別測量其長和寬的多個位置，取平均值作為最終的測量結果。對于一些高精度的工件，還可以使用三坐標測量儀等精密測量設備來進行測量，確保尺寸精度在允許的誤差范圍內。    - 形狀精度檢查：對于一些具有特殊形狀的工件，如圓形、弧形等，需要檢查其形狀精度。可以使用圓度儀、輪廓儀等設備來測量工件的形狀誤差。例如，在切割圓形零件時，要檢查其圓度是否符合要求，偏差是否在規定的范圍內。對于一些復雜形狀的工件，可以采用樣板比對或三維掃描的方法來進行形狀精度檢查。 3. 內部缺陷檢測    - 金相分析：通過金相分析可以觀察切割材料的內部組織結構和微觀缺陷。將切割后的試樣進行研磨、拋光和腐蝕處理，然后在金相顯微鏡下觀察其微觀結構。例如，可以檢查材料在切割過程中是否出現過熱、過燒、裂紋等缺陷。金相分析可以幫助了解激光切割對材料性能的影響，為優化切割工藝提供依據。    - 無損檢測：對于一些不允許破壞工件的情況，可以采用無損檢測方法來檢測內部缺陷。常見的無損檢測方法有超聲波檢測、X 射線檢測、磁粉檢測等。例如，超聲波檢測可以檢測材料內部的裂紋、氣孔等缺陷；X 射線檢測可以檢測金屬材料內部的夾雜物、疏松等缺陷；磁粉檢測主要用于檢測鐵磁性材料表面和近表面的裂紋缺陷。這些無損檢測方法可以在不損壞工件的情況下，有效地發現潛在的質量問題。

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