激光切割加工的要点四大类介绍

来源：　点击数：255次　更新时间：2024/8/9 11:23:37

以下是激光切割加工的要点： **一、设备选择与调试** 1. 激光发生器    - 功率选择：激光发生器的功率是一个关键因素。对于较薄的材料（如厚度在几毫米以下的金属板材或塑料板），低功率的激光（如几百瓦）通常就足够满足切割需求，能实现高效、精确的切割，同时设备成本和能耗相对较低。但对于较厚的材料（如数十毫米甚至更厚的钢材），则需要高功率的激光发生器（通常数千瓦甚至更高），以保证有足够的能量来穿透和切割材料。例如，在切割 3mm 以下的不锈钢板时，500W 的光纤激光发生器可能就比较合适；而切割 20mm 以上的碳钢，可能就需要 3000W 以上的激光发生器。    - 波长特性：不同的激光波长具有不同的切割特性。常见的有 CO₂激光（波长 10.6μm）和光纤激光（波长 1.06μm 左右）等。CO₂激光在切割非金属材料和较厚的金属材料方面有一定优势，其激光束容易被非金属吸收，对一些有机材料的切割效果较好。光纤激光则在切割金属材料方面表现出色，具有更高的光电转换效率、更小的光束发散角和更好的聚焦能力，适合高精度、高速度的金属切割。例如，在切割亚克力等有机玻璃材料时，CO₂激光可能更为合适；而对于不锈钢、碳钢等金属材料的精细切割，光纤激光则更受青睐。 2. 切割头    - 焦距调节：切割头的焦距对切割质量有重要影响。根据材料的厚度和切割要求，需要合理调节焦距。对于较薄的材料，通常采用短焦距，激光束能够更集中地作用在材料表面，切割速度快、切口窄；对于较厚的材料，一般使用长焦距，以保证激光束有足够的能量穿透材料。例如，切割 1mm 左右的薄铝板可以选择 50.8mm 的短焦距切割头；而切割 10mm 以上的厚钢板可能需要 125mm 甚至更长焦距的切割头。    - 辅助气体喷嘴：辅助气体通过喷嘴喷出，在切割过程中起到吹走熔渣、冷却切割区域、防止氧化等作用。喷嘴的直径、形状和角度都需要根据具体的切割材料和工艺要求进行选择。例如，对于薄板的高速切割，较小直径的喷嘴可以提供更高的气体流速和压力，有利于提高切割质量和效率；对于厚板的切割，较大直径的喷嘴可以保证足够的气体流量，防止熔渣堆积。在切割不锈钢时，通常采用氮气作为辅助气体，喷嘴的角度和位置需要调整到能够有效地将熔渣吹离切口，保证切割面的光洁度；而在切割碳钢时，氧气是常用的辅助气体，喷嘴的设计要确保氧气能够与材料充分反应，提高切割速度。 3. 机床精度与稳定性    - 定位精度：机床的定位精度直接影响切割尺寸的准确性。高精度的机床通常采用先进的伺服电机、精密的滚珠丝杠和直线导轨等传动部件，能够实现精确的位置控制。例如，在电子零部件制造中，对切割尺寸的精度要求极高，可能需要机床的定位精度达到±0.01mm 甚至更高。在选择激光切割机床时，要查看其技术参数和实际测试报告，了解其定位精度是否满足加工需求。    - 重复定位精度：重复定位精度反映了机床在多次重复定位同一位置时的准确性。对于需要进行批量切割或复杂图形切割的工件，高重复定位精度至关重要。如果重复定位精度差，会导致切割出来的工件尺寸不一致，影响产品质量。例如，在汽车零部件生产中，需要对相同形状和尺寸的零件进行批量切割，机床的重复定位精度至少要达到±0.03mm 以内，以确保每个零件的一致性。    - 运动稳定性：机床在高速运动过程中的稳定性对切割质量也有很大影响。不稳定的运动会导致激光束在材料表面的作用点发生抖动，从而使切口出现锯齿状、粗糙度增加等问题。机床的床身结构、控制系统以及减震措施等都会影响运动稳定性。例如，一些大型的龙门式激光切割机床采用高强度的焊接床身和先进的数控系统，配合合理的减震装置，能够保证在高速运动下的稳定性，确保切割质量。 **二、材料特性分析与处理** 1. 金属材料    - 不同金属的切割特点：      - 碳钢：碳钢是激光切割中常见的金属材料之一。对于低碳钢，激光切割速度快，切口质量好，热影响区较小。但随着碳含量的增加，碳钢的硬度和强度提高，切割难度也会相应增加。在切割高碳钢时，需要注意控制激光功率和切割速度，以防止切口出现裂纹和硬化现象。例如，在切割 45 号碳钢时，要根据其硬度和厚度合理调整激光参数，通常需要较高的激光功率和较慢的切割速度。      - 不锈钢：不锈钢具有良好的耐腐蚀性和抗氧化性，但其热传导率较低，在激光切割过程中容易产生热量积聚，导致切口边缘出现热影响区和氧化变色。为了减少氧化和提高切割质量，通常采用氮气作为辅助气体。例如，在切割 304 不锈钢时，使用高压氮气可以有效地防止氧化，获得光亮的切割面。对于一些厚度较大的不锈钢，还需要采用脉冲激光或调整切割工艺参数来保证切割质量。      - 铝合金：铝合金的激光切割具有一定的挑战性，因为它具有高反射率和良好的导热性。在激光切割过程中，激光束容易被反射，导致能量损失和切割效率降低。为了提高激光对铝合金的吸收率，可以对材料表面进行预处理，如喷砂、涂覆吸光材料等。此外，在切割铝合金时，要注意控制辅助气体的压力和流量，防止切口出现毛刺和熔渣堆积。例如，在切割 6061 铝合金时，通常采用氧气作为辅助气体，并且适当降低切割速度，以保证切口质量。    - 材料表面处理：在进行激光切割之前，对金属材料的表面进行适当的处理可以提高切割质量和效率。例如，去除材料表面的油污、锈迹、氧化层等杂质，可以避免这些杂质在切割过程中对激光束产生干扰，防止切口出现缺陷。对于一些表面反射率较高的金属材料，可以采用化学腐蚀、机械打磨或激光毛化等方法来增加表面粗糙度，提高激光吸收率。例如，在切割镀有反射膜的金属材料时，需要先将反射膜去除，或者采用特殊的激光切割工艺来克服反射问题。 2. 非金属材料    - 塑料：不同类型的塑料在激光切割中的表现差异较大。热塑性塑料（如 ABS、PP、PC 等）通常比较容易切割，激光束能够使材料迅速熔化和汽化，形成光滑的切口。但在切割过程中要注意控制激光功率和切割速度，防止材料过度熔化而产生变形或烧焦。对于热固性塑料（如环氧树脂、酚醛树脂等），由于其在加热后会发生化学变化而固化，切割难度相对较大，需要选择合适的激光参数和辅助气体。例如，在切割 ABS 塑料时，可以采用较低的激光功率和较快的切割速度，以避免材料过热变形；而在切割环氧树脂板时，可能需要采用脉冲激光和特殊的辅助气体来保证切割质量。    - 木材：木材的激光切割需要考虑其纤维结构和含水率。对于含水率较高的木材，在激光切割过程中水分会蒸发，可能导致切口边缘烧焦或变形。因此，在切割前最好将木材进行干燥处理，使其含水率控制在一定范围内。此外，木材的纤维方向也会影响切割质量，通常沿着木材纤维方向切割速度更快，切口更光滑；而垂直于纤维方向切割时，可能需要调整激光参数和辅助气体。例如，在切割硬木（如橡木、胡桃木）时，要根据其纹理和硬度合理选择激光功率和切割速度，以防止切口出现毛刺和崩边现象。    - 有机玻璃：有机玻璃（亚克力）是一种常见的非金属材料，具有良好的透光性和耐候性。在激光切割有机玻璃时，要注意控制激光功率和切割速度，避免材料过热而产生气泡、裂纹或变形。通常采用较低的激光功率和较慢的切割速度，同时使用压缩空气作为辅助气体，将切割过程中产生的熔渣吹走。例如，在切割 5mm 厚的有机玻璃时，激光功率可以设置在 30W 左右，切割速度为 3 - 5mm/s，以获得光滑、透明的切口。 **三、工艺参数设置** 1. 激光功率    - 功率与切割厚度的关系：激光功率是影响切割能力的关键因素之一。一般来说，材料越厚，所需的激光功率就越大。但并不是功率越高越好，当功率过高时，可能会导致材料过度熔化、切口变宽、热影响区增大等问题。例如，在切割 3mm 厚的不锈钢板时，通常采用 500W - 1000W 的激光功率；而切割 10mm 厚的不锈钢板，可能需要 2000W 以上的激光功率。    - 功率对切割质量的影响：激光功率的大小直接影响切口的表面质量和精度。功率过低会导致切割不完全，切口表面粗糙，有挂渣现象；功率过高则会使切口边缘出现烧伤、熔化过度等问题。例如，在切割薄铝板时，如果激光功率过高，铝板表面容易出现氧化变色和熔渣堆积，影响外观质量。因此，需要根据材料的特性和切割要求，合理选择激光功率。 2. 切割速度    - 速度与材料厚度的匹配：切割速度与材料厚度密切相关。对于较薄的材料，可以采用较高的切割速度，以提高生产效率；而对于较厚的材料，切割速度需要适当降低，以保证激光束有足够的能量切割材料。例如，在切割 1mm 厚的碳钢时，切割速度可以达到 10m/min 以上；而切割 10mm 厚的碳钢时，切割速度可能只有 1 - 2m/min。    - 速度对切割质量的影响：切割速度的选择还会影响切口的质量。如果切割速度过快，激光束来不及完全熔化或汽化材料，会导致切口底部出现未切断的现象，或者切口表面粗糙、有锯齿；如果切割速度过慢，材料会过度受热，热影响区增大，切口边缘可能会出现烧伤、变形等问题。例如，在切割亚克力材料时，切割速度过快会使切口出现裂纹和崩边，而速度过慢则会使亚克力材料受热变形，影响尺寸精度。 3. 辅助气体压力与流量    - 气体压力的作用：辅助气体的压力对切割过程有重要影响。适当的气体压力可以有效地吹走熔渣，防止熔渣在切口处堆积，保证切割的连续性和稳定性。同时，气体压力还会影响激光束与材料的相互作用，对切割质量产生影响。例如，在切割不锈钢时，较高的氮气压力可以使切口更加光滑，减少氧化现象；而在切割碳钢时，氧气的压力需要根据切割厚度和速度进行调整，以保证燃烧反应的充分进行。    - 气体流量的选择：辅助气体的流量也需要根据切割材料和工艺要求进行合理选择。流量过大可能会导致气流紊乱，影响切割效果；流量过小则无法及时将熔渣吹走，影响切口质量。例如，在切割薄金属板时，较小的气体流量就可以满足要求；而在切割厚板时，需要较大的气体流量来保证切割的顺利进行。对于不同的材料，气体流量的选择也有所不同。例如，在切割铝合金时，氧气的流量要适当控制，以防止氧化反应过于剧烈导致切口质量下降。 **四、质量控制与检测** 1. 切口质量评估    - 表面粗糙度：切口的表面粗糙度是衡量切割质量的重要指标之一。表面粗糙度越小，切口表面越光滑，说明切割质量越好。可以使用粗糙度测量仪来测量切口的表面粗糙度。一般来说，激光切割的切口表面粗糙度可以达到微米级别。例如，对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。影响表面粗糙度的因素主要有激光功率、切割速度、辅助气体压力和流量等。当激光功率过大、切割速度过慢或辅助气体压力不合适时，都可能导致表面粗糙度增加。    - 切口宽度：切口宽度也是评估切割质量的重要参数。切口宽度越窄，材料的浪费越少，切割精度越高。切口宽度通常受到激光束直径、焦距、切割速度等因素的影响。在实际切割过程中，要根据材料的厚度和切割要求，合理调整这些参数，以获得理想的切口宽度。例如，在切割薄金属板时，切口宽度可以控制在 0.1 - 0.2mm 左右；而在切割厚板时，切口宽度会相应增加。    - 挂渣与毛刺：挂渣和毛刺的存在会影响工件的外观质量和后续加工。如果切口处有大量的挂渣和毛刺，说明切割过程中存在问题，如激光参数不合适、辅助气体压力不足等。可以通过肉眼观察或使用显微镜来检查切口处的挂渣和毛刺情况。对于一些要求较高的工件，需要进行去毛刺处理，以保证产品质量。 2. 尺寸精度测量    - 长度和宽度测量：使用量具（如卡尺、千分尺等）对切割后的工件进行长度和宽度测量，检查其尺寸是否符合设计要求。在测量时，要注意测量点的选择和测量方法的准确性。例如，对于矩形工件，要分别测量其长和宽的多个位置，取平均值作为最终的测量结果。对于一些高精度的工件，还可以使用三坐标测量仪等精密测量设备来进行测量，确保尺寸精度在允许的误差范围内。    - 形状精度检查：对于一些具有特殊形状的工件，如圆形、弧形等，需要检查其形状精度。可以使用圆度仪、轮廓仪等设备来测量工件的形状误差。例如，在切割圆形零件时，要检查其圆度是否符合要求，偏差是否在规定的范围内。对于一些复杂形状的工件，可以采用样板比对或三维扫描的方法来进行形状精度检查。 3. 内部缺陷检测    - 金相分析：通过金相分析可以观察切割材料的内部组织结构和微观缺陷。将切割后的试样进行研磨、抛光和腐蚀处理，然后在金相显微镜下观察其微观结构。例如，可以检查材料在切割过程中是否出现过热、过烧、裂纹等缺陷。金相分析可以帮助了解激光切割对材料性能的影响，为优化切割工艺提供依据。    - 无损检测：对于一些不允许破坏工件的情况，可以采用无损检测方法来检测内部缺陷。常见的无损检测方法有超声波检测、X 射线检测、磁粉检测等。例如，超声波检测可以检测材料内部的裂纹、气孔等缺陷；X 射线检测可以检测金属材料内部的夹杂物、疏松等缺陷；磁粉检测主要用于检测铁磁性材料表面和近表面的裂纹缺陷。这些无损检测方法可以在不损坏工件的情况下，有效地发现潜在的质量问题。

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