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              激光切管機 - 切割工藝

              發布時間 : 2021-07-13  瀏覽次數 :

              激光切割

              自動上下料激光切管機

              到目前為止,激光最流行的用途是切割。激光切割主要是一種熱過程,其中使用聚焦的激光束在局部區域熔化材料。同軸氣體射流用于噴射熔融材料并形成切口。通過在 CNC 控制下移動激光束或工件來產生連續切割。激光切割主要有三大品種:熔融切割、火焰切割和遠程切割。

              在熔融切割中,惰性氣體(通常是氮氣)用于將熔融材料從切口中排出。氮氣不會與熔融材料發生放熱反應,因此不會提供能量輸入。

              在火焰切割中,氧氣用作輔助氣體。除了對熔融材料施加機械力之外,這還會產生放熱反應,從而增加過程的能量輸入。

              在遠程切割中,材料被高強度激光束部分蒸發(燒蝕),從而可以在沒有輔助氣體的情況下切割薄片。

              激光切割過程有助于通過離線 CAD/CAM 系統實現自動化,控制三軸平板系統或六軸機器人進行三維激光切割。

              精度、邊緣垂直度和熱輸入控制的改進意味著激光工藝正越來越多地取代其他仿形切割技術,如等離子和氧燃料。市場上有許多用于切割目的的最先進的激光機,可用于切割金屬、木材和工程木材。

              切割特性好處
              • 將碳錳鋼切割至 20 毫米
              • 切割不銹鋼達 12 毫米
              • 將鋁材切割至 10 毫米
              • 切割黃銅和鈦
              • 切割熱塑性塑料、木材和許多非金屬
              • 高品質切割 - 無需精加工
              • 超靈活——簡單或復雜的零件
              • 非接觸式 – 無表面瑕疵
              • 快速設置 – 小批量
              • 低熱輸入 – 小熱影響區,低變形
              • 適用于幾乎所有材料

              如何影響切口的厚度?

              激光切割過程涉及將激光束,通常使用透鏡(有時使用凹面鏡)聚焦到一個小點,該點具有足夠的功率密度來產生激光切割。

              鏡頭由其焦距定義,即從鏡頭到焦點的距離??刂七^程效率的關鍵因素是聚焦光斑直徑 (d) 和焦深 (L)。

              焦深是可以實現滿意切割的有效距離。它可以定義為焦點面積增加不超過 50% 的距離。

              激光焦斑直徑和焦深取決于透鏡上的原始激光束直徑和透鏡的焦距。對于恒定的原始激光束直徑,聚焦透鏡焦距透鏡的減小導致更小的焦斑直徑和焦深。對于恒定焦距鏡頭,原始光束直徑的增加也會減小光斑直徑和焦深。  

              為了比較不同光束直徑的激光器,我們因此使用一個稱為焦點 f 數的因子,即焦距 F 除以入射的原始光束直徑 D。

              切割要求如下:

              a) 高功率密度,因此聚焦光斑尺寸小

              b) 長焦深以處理較厚的材料,對焦點位置變化具有合理的公差。

              因為這兩個要求是相互沖突的,所以必須做出妥協。唯一的另一個考慮是焦距越短,鏡頭離工件越近,因此更容易被切割過程中的飛濺物損壞。

              事實上,可以針對每種材料厚度優化焦距,但這會在從一項工作更改為另一項工作時涉及額外的設置時間,這必須與增加的速度相平衡。實際上,除非特定工作有特殊要求,否則避免更換鏡頭并降低切割速度。

              鈑金使用哪些類型的激光切割?

              如今,大多數工業鈑金激光切割都是使用兩種類型的激光器進行的:CO 2和光纖。

              CO 2 激光

              CO 2激光器(二氧化碳激光器)在氣體混合物中產生,該氣體混合物主要由二氧化碳(CO 2)、氦氣和氮氣組成。這種激光器使用放電進行電泵浦。 

              CO 2激光器通常以10.6μm的波長發射。那些用于材料加工的光束可以產生數千瓦功率的光束。CO 2激光器的壁插效率約為 10%,高于大多數燈泵浦固態激光器(例如 ND:YAG 激光器),但低于許多二極管泵浦激光器。

              與相同功率的光纖激光器相比,CO 2激光器可以更快地切割更厚的材料(>5mm)。在切割較厚的材料時,它還可以產生更光滑的表面光潔度。

              歷史上,金屬板的激光切割始于 CO 2激光器。大多數 CO 2激光切割機是三軸系統(XY,二維定位控制,Z 軸高度控制)。

              然而,有多種方法可以實現 XY 移動:移動激光頭、移動工件或兩者結合。

              最流行的方法被稱為“飛行光學”系統,其中工件保持靜止,反射鏡在 X 軸和 Y 軸上移動。這種方法的優點是電機始終以已知的固定質量移動。這通??赡鼙裙ぜ氐枚?,但更容易預測和控制。

              由于工件沒有移動,這也意味著板材重量沒有真正的限制。飛行光學器件的缺點是光束大小的變化,因為激光束永遠不會完全平行,但在離開激光器時實際上會略微發散。

              這意味著在不控制發散度的情況下,由于原始光束尺寸的變化,工作臺不同部分之間的切割性能可能會有一些變化??梢酝ㄟ^添加重新準直光學器件來減少這種影響,或者某些系統甚至使用自適應反射鏡控制。

              另一種選擇是“固定光學”系統,其中激光頭保持靜止,工件在 X 和 Y 軸上移動。這是光學上的理想情況,但機械上的情況更糟,特別是對于較重的紙張。

              對于相對較輕的片材重量,固定光學系統可能是一個可行的選擇,但隨著片材重量的增加,高速準確定位材料可能是一個問題。

              第三種選擇稱為“混合”系統,其中激光頭沿一個軸移動,材料沿另一軸移動。這通常是對固定光學元件的改進,但仍然會遇到紙張重量較重的困難。

              光纖激光器

              光纖激光器屬于“固態激光器”家族的一員。在固態激光器中,光束由固體介質產生。光纖激光器、盤式激光器和 Nd:YAG 激光器屬于同一類別。

              光纖激光束由一系列激光二極管產生。然后激光束通過光纖傳輸,在那里它被放大(類似于 CO 2激光器中的傳統激光腔)。放大的光束在離開光纖時被準直,然后通過透鏡或凹面聚焦到要切割的材料上。光纖激光源具有以下優點:

              1. 與傳統的 CO 2諧振腔不同,光纖激光源在發光源中沒有任何移動部件(例如用于氣體循環的風扇)或反射鏡。這是降低維護要求和運營成本的主要優勢。
              2. 光纖激光器的能源效率通常是相同功率的CO 2激光器的兩到三倍。
              3. 光纖激光器可以比相同功率的 CO 2激光器更快地切割薄片。這是由于在切割前沿更好地吸收了光纖激光波長。
              4. 光纖激光器能夠切割反射材料,而不必擔心背反射損壞機器。這樣可以毫無問題地切割銅、黃銅和鋁。

              直接二極管激光器

              直接二極管激光器技術是固態激光器領域的最新進展。在這項技術中,從不同波長的激光發射二極管發射的幾束激光束使用所謂的光束組合技術疊加在一起。與光纖激光器不同,直接二極管激光器不包括亮度增強級,因此具有更低的光損耗和更高的插墻效率。然而,出于同樣的原因,與光纖激光器相比,直接二極管激光器目前的光束質量較低。數千瓦級功率的直接二極管激光器已上市,并已成功用于鈑金切割應用。

              反射會帶來哪些困難?

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              所有金屬材料都會反射 CO 2激光束,直到達到某個功率密度閾值。 

              鋁比碳錳鋼或不銹鋼更具反射性,并且有可能對激光器本身造成損壞。

              大多數激光切割機使用垂直于平板材料對齊的激光束。這意味著,如果激光束被平板反射,它可能會通過光束傳輸光學器件傳回并進入激光器本身,從而可能造成嚴重損壞。

              這種反射并不完全來自板材表面,而是由具有高度反射性的熔池的形成引起的。出于這個原因,簡單地在板材表面噴涂非反射涂層并不能完全消除問題。

              一般來說,添加合金元素會降低鋁對激光的反射率,因此純鋁比更傳統的 5000 系列合金更難加工。

              憑借良好、一致的切割參數,反射的可能性可以降低到幾乎為零,具體取決于所使用的材料。但是,仍然需要能夠在發展條件或設備出現問題時防止損壞激光器。

              大多數現代設備使用的“鋁切割系統”實際上是一種保護激光的方式,而不是一種創新的切割技術。該系統通常采用背反射系統的形式,可以檢測是否有過多的激光輻射通過光學元件反射回來。

              這通常會在造成任何重大損壞之前自動停止激光。如果沒有這個系統,加工鋁就存在風險,因為無法檢測是否發生了潛在的危險反射。



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