激光切割机工艺手册

第一章激光切割方法

1.1 激光熔化切割

在激光熔化切割中，工件被局部熔化后借助气流把熔化的材料喷射出去。因为材料的转移只发生在其液态情况下，所以该过程被称作激光熔化切割。

激光光束配上高纯惰性切割气体促使熔化的材料离开割缝，而气体本身不参于切割。

——激光熔化切割可以得到比气化切割更高的切割速度。气化所需的能量通常高于把材料熔化所需的能量。在激光熔化切割中，激光光束只被部分吸收。

——最大切割速度随着激光功率的增加而增加，随着板材厚度的增加和材料熔化温度的增加而几乎反比例地减小。在激光功率一定的情况下，限制因数就是割缝处的气压和材料的热传导率。

——激光熔化切割对于铁制材料和钛金属可以得到无氧化切口。

——产生熔化但不到气化的激光功率密度，对于钢材料来说，在104W/cm2～105 W/cm2之间。

1.2 激光火焰切割

激光火焰切割与激光熔化切割的不同之处在于使用氧气作为切割气体。借助于氧气和加热后的金属之间的相互作用，产生化学反应使材料进一步加热。由于此效应，对于相同厚度的结构钢，采用该方法可得到的切割速率比熔化切割要高。

另一方面，该方法和熔化切割相比可能切口质量更差。实际上它会生成更宽的割缝、明显的粗糙度、增加的热影响区和更差的边缘质量。

——激光火焰切割在加工精密模型和尖角时是不好的（有烧掉尖角的危险）。可以使用脉冲模式的激光来限制热影响。

——所用的激光功率决定切割速度。在激光功率一定的情况下，限制因数就是氧气的供应和材料的热传导率。

1.3 激光气化切割

在激光气化切割过程中，材料在割缝处发生气化，此情况下需要非常高的激光功率。

为了防止材料蒸气冷凝到割缝壁上，材料的厚度一定不要大大超过激光光束的直径。该加工因而只适合于应用在必须避免有熔化材料排除的情况下。该加工实际上只用于铁基合金很小的使用领域。

该加工不能用于，象木材和某些陶瓷等，那些没有熔化状态因而不太可能让材料蒸气再凝结的材料。另外，这些材料通常要达到更厚的切口。

——在激光气化切割中，最优光束聚焦取决于材料厚度和光束质量。

——激光功率和气化热对最优焦点位置是有一定的影响。

——在板材厚度一定的情况下，最大切割速度反比于材料的气化温度。

——所需的激光功率密度要大于108W/cm2，并且取决于材料、切割深度和光束焦点位置。

——在板材厚度一定的情况下，假设有足够的激光功率，最大切割速度受到气体射流速度的限制。

第二章加工过程

“加工过程”指激光光束、加工气体和工件之间的相互作用。

2.1 切割过程

该过程发生的区域是切割之前。作用在该切割之前的激光必须加热工件到把材料熔化和气化所需的温度。

切割平面由一个几乎垂直的平面组成，该平面被吸收的激光辐射加热并熔化。

——在激光火焰切割中，该熔化区被进入割缝的氧气流进一步加热，达到接近沸点的温度。产生的气化把材料移走。同时，借助于加工气体，液化材料从工件下部排出。

——在激光熔化切割中，液化材料随气体排出，该气体也保护割缝以防氧化。连续的熔化区沿着切割方向逐渐滑移。因而得到一条连续割缝。

激光切割过程的许多重要活动发生在该区域。对这些活动的分析可以得到激光切割的重要信息。

这样，就可以计算切割速度并解释牵引线特性的形成。

2.2 材料特性

在工件上进行切割活动的结果可能是整洁的切口，或者相反，边缘粗糙或过烧。

影响切割质量最重要的因数是：

——合金成份

——材料的微观结构

——表面质量

——表面粗糙度

——表面处理

——光束反射

——热传导率

——熔点

——热熔解

——气化温度

合金成份

合金成份在一定程度上影响着材料的强度、比重、可焊接性、抗氧化能力和酸性。铁合金材料中的一些重要元素有：碳、铬、镍、镁和锌。

碳含量越高，材料越难切（临界值认为是含碳0.8％）。以下型号碳钢用激光切割效果是很好的：

St 37-2，StW 22，DIN 1.203。

材料的基本微观结构

一般来说，组成材料的颗粒越细，切割边缘的质量越好。

表面质量和粗糙度

如果表面有生锈区域或氧化层，那么切割的轮廓将不规则并出现许多破损点。

如果要切割波纹板，就选择最大厚度切割参数。

表面处理

最常用的表面处理有镀锌、聚焦镀锌、涂漆、阳极电镀或覆盖分层塑料胶片。

——用锌处理过的板材易于在边缘出现挂渣。

——对于涂漆的板材，切割质量依赖于所涂产品成份的组成。

如何进行涂漆材料的加工：

第一趟选择一组功率小（雕刻）的用于对处理表面作预烧打标的参数。

第二趟选择一组用于材料切割的参数。

有分层材料涂层的板材非常适合激光切割。为了使电容式探测无故障工作，让分层涂层得到最优粘合，（避免产生浮泡），分层边必须总是在切割工件的上部。

光束反射

光束在工件表面如何反射取决于基本材料、表面粗糙度和处理。一些铝合金、铜、黄铜和不锈钢板材具有高反射率的特点。

切割这些材料时，要特别注意调节好焦点位置。

热传导率

焊接时，低热传导率的材料，和高热传导率的材料相比，需要更小的功率。

比如，对于铬镍合金钢，所需的功率要小于结构钢的，对加工产生的热的吸收也更少。

另一方面，比如铜、铝和黄铜这些材料散失掉一大部分通过吸收激光产生的热。因为热从光束目标点处传导开了，所以热影响区的材料更难熔化了。

热影响区

激光火焰切割和激光熔化切割会导致切割材料边缘区域发生材料变异。

关于热影响区域的范围与基本材料和材料厚度的之间关系，下表列出了一些参考数值。

4 0.20 0.3

5 0.40

5 0.25 0.34 0.50

6 0.30 0.55 0.60

8 0.40 0.75 0.70

10 0.50 0.85 ------

12 0.60 ------ ------

——当加工低碳钢或无氧钢时，热影响区的淬火减少了。

——对于高碳钢（比如Ck60），会出现边缘区域变硬的现象。

——对于硬轧铝合金，热影响区甚至会比其余部分稍微软一些。

2.3 不同材料的可加工性

结构钢

该材料用氧气切割时会得到较好的结果。使用CW模式激光。当加工非常小的曲线控制系统改变进给速率时，它通过调节使激光功率和轴进给速率相适应。

当用氧气作为加工气体时，切割边缘会轻微氧化。对于厚度达4mm的板材，可以用氮气作为加工气体进行高压切割。这种情况下，切割边缘不会被氧化。

复杂轮廓和小孔（直径小于材料厚度）应该用脉冲模式切割。这样可以避免切掉尖角。

——碳含量越高，切割边缘越易淬火，拐角越易过烧。

——合金含量高的板材比低的更难切割。

——氧化或喷砂处理过的表面会得到更差的切割质量。

——板材表面的余热对切割结果有负面影响。

——厚度在10mm以上的板材，对激光器使用特殊极板并且在加工中给工件表面涂油可以得到较好的效果。油膜减少熔渣粘到表面并极大地帮助切割。油膜不影响切割活动的效果。

——为了消除张力，只切割经二次处理过的钢板。沸腾条件下熔化钢铁中的不纯成份实际上对切割结果有很大影响。

——为了切割表面洁净的结构钢，须遵循以下提示：

·Si≤0.04％：首选，激光加工很好

·Si <0.25％：某些情况下会得到稍微差点的切口

·Si >0.25％：不适合激光切割，可能会得到更差的或不一致的结果。

注意：对于达到St52的钢铁，按照DIN标准的容许量为Si≤0.55％。该指标对于激光加工来说太不精确了。

不锈钢

切割不锈钢需要：

——使用氧气，在边缘氧化不要紧的情况下。

——使用氮气以得到无氧化无毛刺的边缘，就不需要再作处理了。

——用可能得到的高激光功率，同时采用高压氮气，比用氧气可能会得到相当的或更高的切割速度。

——为了用氮气切4mm以上的不锈钢，并且无毛刺，调节焦点位置是必要的。重新设焦点位置并降低速度，就可能得到洁净的切口，当然无法避免小毛刺。

——在板材表面涂层油膜会得到更好的穿孔效果，而不降低加工质量。

对于不锈钢，请选择：

——氧气切割：对于5mm以上的厚板材，降低进给速度，激光采用脉冲模式。

——对于穿孔和切割采用同样的喷嘴高度。

铝

铝及其合金更适宜用连续模式切割。尽管有高反射率和热传导性，厚度6mm 以下的铝材可以切割，这取决于合金类型和激光器能力。

铝可以用氧切割或高压氮切割：

当用氧切割时，切割表面粗糙而坚硬。只产生一点火焰，但却难以消除。

——用氮气时，切割表面平滑。当加工3mm以下的板材时，通过最优调整后可以得到事实上无毛刺的切口。对于更厚的板材，会产生难以去除的毛刺。

——纯铝因为其高纯非常难切割。

——合金含量越高，材料越易切割。

建议：只有在系统上安装有“反射吸收”装置的时候才能切割铝材。否则反射会毁坏光学组件。

钛

钛板材用氩气和氮气作为加工气体来切割。其它参数可以参考镍铬钢。

铜和黄铜

——两种材料都具有高反射率和非常好的热传导性。

——厚度1mm以下的黄铜可以用氮气切割。

——厚度2mm以下的铜可以切割，加工气体必须用氧气。

建议：只有在系统上安装有“反射吸收”装置的时候才能切割铜和黄铜。否则反射会毁坏光学组件。

合成材料

危险：切割合成材料时要牢记切割的危险和可能排放的危险物质。

可加工的合成材料有：热塑性塑料、热硬化材料和人造橡胶。用激光切割机来加工PVC或聚乙烯是不行的，因为释放的气体是有毒的。对于这两种材料，最好使用水压切割。

丙烯酸玻璃可以用激光切割。氮气用作加工气体，气压必须低于0.5bar。这样可以得到平滑的切割表面。

有机物

危险：在所有有机物切割中都存在着着火的危险（用氮气作为加工气体，也可以用压缩空气作为加工气体）。

木材、皮革、纸板和纸可以用激光切割。切割边缘会烧焦（褐色）。进给速度越高，碳化越少。当加工胶合板时，不可能保证会有洁净的切口，因为每层胶根据其类型和种类而成份不同。

其它材料

有关您感兴趣的其它材料的信息可以从我公司的用户工程服务部门得到。

材料的可切割厚度

（生产值mm）

最大可以切割的厚度只在最优的机床和参数调整的情况下才有可能

（最大值mm）

模式表示符号应用例子

连续模式

CW

－低压切割

－普通切割

－高压切割

→结构钢用O2

→铝用N2

→不锈钢用N2

恒定功率切可得到相对精密的切割。

门脉冲

GP

－穿孔

－细小轮廓

→以结构钢为例：

－轮廓上的小孔

－小孔直径为材料厚度的一半

－细轮廓

超脉冲SP

－穿孔

－高反射率的

材料

→铜用N2

→不锈钢用O2

→耐热的碳钢用O2

增加激光功率用100％CW＋超脉冲

（Inox＋铝合金用N2）。

超强脉冲

HP －穿孔穿孔时，效果和增加频率得到的相

对：

→厚板的快速穿孔，有少量碎屑

→锌钢用O2

2.5 气体参数

气体参数包括：

——气体类型

——气压

——喷嘴直径和几何结构

气压和喷嘴几何结构决定了边缘粗糙度和毛刺的生成。加工气体消耗取决于喷嘴直径和气压。

关于加工气体的更多信息在“维修保养手册——气体控制”章节里。

——切割气压在5bar以下为低压，达20bar为高压。

——常用的切割喷嘴为锥体状的圆形口。

——保持喷嘴和工件表面之间的间距尽可能的小是必要的。距离越小，有效冲击割缝壁的气体质量就越高。经常使用0.5到1.5之间的间距。第三章激光加工

3.1 穿孔

穿孔的参数值不同于切割的参数值。

连续模式穿孔

优点：快速穿孔。

缺点：产生穿孔坑。

脉冲模式穿孔

优点：小的穿孔洞。

缺点：耗时

注意：板材厚度（mm）大约对应于穿孔时间（s）。

如果板材切掉的部分和剩余部分都要，就直接在轮廓上使用脉冲穿孔功能。

3.2 碳钢的起切和结束切

穿孔通常用CW模式。该类型穿孔更快，但它产生一个比用脉冲穿孔更大的孔。由于此原因，起切穿孔的位置通常选在轮廓外边。穿孔和实际轮廓之间的切割长度称作起切部分。

激光光束焦点在起切部分末端和轮廓之间的可能变化，通过工件上切口边缘的不平，是可以辨别出来的。用户必须尽可能地把起切部分设在几何单元一侧的理想伸展线上。

在小表面内轮廓情况下，让穿孔过程中产生的热在开始切割之前散发掉非常重要。避免把穿孔设在狭窄的区域，而设成相对轮廓成大角度。这有利于热散发。

起切长度取决于板材厚度和孔的直径

3.4 拐角的加工

有半径的钝角的加工

在可能的地方，避免无半径的拐角。有半径拐角与无半径的相比有以下优点：——轴移动的动态性能更好

——热影响区减少

——毛刺的产生更少

最优倒圆半径：

R最优＝板材厚度（mm）除以10，但不小于1mm

当内板材上要求无半径拐角时，最大半径：

R边缘＝切口宽度的一半

有了这种光束，仍然可以产生无半径的拐角，而现在，轴动态地移动：