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异型件激光切割加工对于不同的气体有不同的压力阈值,当喷嘴压力超过此值时
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异型件激光切割加工对于不同的气体有不同的压力阈值,当喷嘴压力超过此值时

作者:钢轨|道轨钢|轨道钢|铁轨     阅读:242

对于不同的气体有不同的压力阈值,当喷嘴压力超过此值时,气流为正常斜激波,气流速从亚音速向超音速过渡。此阈值与Pn、Pa比值及气体分子的自由度(n)两因素有关:如氧气、空气的n=5,因此其阈值Pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar。当喷嘴压力更高Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2时(Pn;4bar),气流正常斜激波封变为正激波,切割压力Pc下降,气流速度减低,并在工件表面形成涡流,削弱了气流去除熔融材料的作用,影响了切割速度。因此采用锥孔带端部小圆孔的喷嘴,其氧气的喷嘴压力常在3bar以下。
为进一步提高激光切割速度,可根据空气动力学原理,在提高喷嘴压力的前提下不产生正激波,设计制造一种缩放型喷嘴,即拉伐尔(Laval)喷嘴。为方便制造可采用如图4的结构。德国汉诺威大学激光中心使用500WCO2激光器,透镜焦距2.5〃,采用小孔喷嘴和拉伐尔喷嘴分别作了试验,见图4。试验结果如图5所示:分别表示NO2、NO4、NO5喷嘴在不同的氧气压力下,切口表面粗糙度Rz与切割速度Vc的函数关系。钢板激光切割加工从图中可以看出NO2小孔喷嘴在Pn为400Kpa(或4bar)时切割速度只能达到2.75m/min(碳钢板厚为2mm)。NO4、NO5二种拉伐尔喷嘴在Pn为500Kpa到600Kpa时切割速度可达到3.5m/min和5.5m/min。应指出的是切割压力Pc还是工件与喷嘴距离的函数。由于斜激波在气流的边界多次反射,使切割压力呈周期性的变化。
关键技术三
第一高切割压力区紧邻喷嘴出口,工件表面至喷嘴出口的距离约为0.5~1.5mm,切割压力Pc大而稳定,是如今工业生产中切割手扳常用的工艺参数。第二高切割压力区约为喷嘴出口的3~3.5mm,切割压力Pc也较大,同样可以取得好的效果,并有利于保护透镜,提高其使用寿命。曲线上的其他高切割压力区由于距喷嘴出口太远,与聚焦光束难以匹配而无法采用。
综上所述,CO2异型件激光切割加工技术正在中国工业生产中得到越来越多的应用,国外正研究开发更高切割速度和更厚钢板的切割技术与装置。为了满足工业生产对质量和生产效率越来越高的要求,必须重视解决各种关键技术及执行质量标准,以使这一新技术在中国获得更广泛的应用。
切割工艺
汽化切割
在高功率密度激光束的加热下,材料表面温度升至沸点温度的速度是如此之快,足以避免热传导造成的熔化,于是部分材料汽化成蒸汽消失,部分材料作为喷出物从切缝底部被辅助气体流吹走。一些不能熔化的材料,如木材、碳素材料和某些塑料就是通过这种汽化切割方法切割成形的。
汽化切割过程中,蒸汽随身带走熔化质点和冲刷碎屑,形成孔洞。汽化过程中,大约40%的材料化作蒸汽消失,而有60%的材料是以熔滴的形式被气流驱除的。
熔化切割
当入射的激光束功率密度超过某一值后,光束照射点处材料内部开始蒸发,形成孔洞。一旦这种小孔形成,它将作为黑体吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金属壁所包围,然后,与光束同轴的辅助气流把孔洞周围的熔融材料带走。随着工件移动,小孔按切割方向同步横移形成一条切缝。激光束继续沿着这条缝的前沿照射,熔化材料持续或脉动地从缝内被吹走。
氧化熔化
熔化切割一般使用惰性气体,如果代之以氧气或其它活性气体,不锈钢板激光切割加工材料在激光束的照射下被点燃,与氧气发生激烈的化学反应而产生另一热源,称为氧化熔化切割。具体描述如下:
⑴材料表面在激光束的照射下很快被加热到燃点温度,随之与氧气发生激烈的燃烧反应,放出大量热量。在此热量作用下,材料内部形成充满蒸汽的小孔,而小孔的周围为熔融的金属壁所包围。
⑵燃烧物质转移成熔渣控制氧和金属的燃烧速度,同时氧气扩散通过熔渣到达点火前沿的快慢也对燃烧速度有很大的影响。氧气流速越高,燃烧化学反应和去除熔渣的速度也越快。当然,氧气流速不是越高越好,因为流速过快会导致切缝出口处反应产物即金属氧化物的快速冷却,这对切割质量也是不利的。
⑶显然,氧化熔化切割过程存在着两个热源,即激光照射能和氧与金属化学反应产生的热能。据估计,切割钢时,氧化反应放出的热量要占到切割所需全部能量的60%左右。
很明显,与惰性气体比较,使用氧作辅助气体可获得较高的切割速度。
⑷在拥有两个热源的氧化熔化切割过程中,如果氧的燃烧速度高于激光束的移动速度,割缝显得宽而粗糙。如果激光束移动的速度比氧的燃烧速度快,则所得切缝狭而光滑。
控制断裂
对于容易受热破坏的脆性材料,通过激光束加热进行高速、可控的切断,称为控制断裂切割。这种切割过程主要内容是:激光束加热脆性材料小块区域,引起该区域大的热梯度和严重的机械变形,导致材料形成裂缝。只要保持均衡的加热梯度,激光束可引导裂缝在任何需要的方向产生。
要注意的是,这种控制断裂切割不适合切割锐角和角边切缝。切割特大封闭外形也不容易获得成功。控制断裂切割速度快,不需要太高的功率,否则会引起工件表面熔化,破坏切缝边缘。其主要控制参数是激光功率和光斑尺寸大小。
切割程序
1、交点位置的检出。激光切割前需先根据材质调整光束焦点在工件上的位置,由于激光束,特别是CO2气体激光,一般肉眼看不到,可采用楔形丙烯块检测出焦点位置,然后调节割炬的高度,使焦点处于设定位置。
2、穿孔操作要点。世纪切割加工时,有的零件从板材的内部开始切割,这就要先在板材上打孔。一种方法是采用连续激光,在薄板上穿孔,可以用正常的辅助气体压力,光束照射0.2~1s就能贯穿工件,然后即可转入切割。当工件厚度较大(如板厚为2~4mm)时,采用正常的气体压力穿孔,在工件表面上会形成尺寸比较大的溶坑。不但影响切割质量,而且熔融物质溅出可能损坏透镜或喷嘴。此时宜适当增大辅助气体的压力,同事略微增大喷嘴的孔径与工件的距离。这种方法的缺点是气体流量增加并使切割速度降低。
3、防止工件锐角转折处的烧熔。用连续激光切割带有锐角零件时,如切割参数匹配或操作不当,在锐角的转折处很容易发生自烧熔,不能形成转角处的尖角。这不仅使该部位的质量变差,而且还会影响随后的切割。解决这一问题的方法是选择适宜的切割参数,而采用脉冲激光切割时不存在锐角转折处的烧熔问题。
竞争优势
激光切割机是钣金加工的一次工艺革命,是钣金加工中的“加工中央”;激光切割机柔性化程度高,切割速度快,出产效率高,产品出产周期短,为客户赢得了广泛的市场,该技术的有效生命期长,国外超过2毫米厚度的板材大都采用激光切割机,很多国外的专家一致以为今后30-40年是激光加工技术发展的黄金时期。
  一般来讲,建议以12mm以内的碳钢板、10mm以内的不锈钢板等金属材料切割推荐使用激光切割机。激光切割机无切削力,加工无变形:无刀具磨损,材料适应性好:无论是简朴还是复杂零件,都可以用激光一次精密快速成型切割:其切缝窄,切割质量好,自动化程度高,操纵简便,劳动强度低,没有污染:可实现切割自动排样、套料、进步了材料利用率,出产本钱低,经济效益好。
激光切割机选购要考虑的因素很多,除了要考虑目前加工工件的最大尺寸、材质、需要切割的最大厚度以及原材料幅面的大小外,更多的需要考虑未来的发展方向,比如所做产品的技术改型后要加工的最大工件大小、钢材市场所提供材料的幅面针对自己的产品哪种最省料,上下料时间等等。
市场现状
我国激光产业的发展,虽然是一个初步发展,但在国际科技带领下已经完成了飞跃的发展,并且比同等质量有一个高阶段的突出。以激光切割机来讲,市场的需求高达千万,为广阔的市场添加了新的生机。自从60年代第一台激光设备的诞生和应用开始,我国就有多位专家在激光行业付出了努力,并达到了国际一个微小的差值。在激光行业的发展同时,激光成套工业设备也进入了生产的市场,摆脱了长期依靠国外的局面,解决了国内激光行业的尴尬局面。
国内经济的飞速发展,成为激光市场的高产业支柱,并且可以达到每年20%以上的增长速,成为全球激光市场的一个新起点,根据专家预测,国内的激光市场仍处于高速的增长阶段,在未来可以在进行翻倍的增加,来最大的扩充激光切割设备的市场,填补国内空白,将国内高端激光设备摆脱受困的状态,成为国际上的顶梁柱。目前国内的激光产业主要在深圳、武汉两地聚集,其中深圳是国内的重要销售市场,并且以多年的发展经验,领先了其他区域。


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