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带你了解激光切割的工艺及成本的构成
来源: ABC 勇哥 | 作者: ABC 勇哥 | 发布时间: 2011-02-09 | 919 次浏览 | 分享到:
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人们对光能聚焦会产生巨大能量的认识由来已久,从我国古代的削冰取火,到阿基米德凹镜烧船驱敌,无一不是利用这一特点,今天介绍的激光切割亦是如此。

人们对光能聚焦会产生巨大能量的认识由来已久,从我国古代的削冰取火,到阿基米德凹镜烧船驱敌,无一不是利用这一特点,今天介绍的激光切割亦是如此。      

激光切割

激光切割几乎是当前世界上最先进的切割工艺,能切割大多数金属和非金属材料,不管你身处汽车行业、工程机械、家电行业等随处都能见到它的应用。它具备精密制造、柔性切割、异形加工、一次成型、速度快、效率高等优点,能解决许多常规方法无法解决的难题。本期小编就和大家一起聊聊激光切割那些事。

激光切割原理

 激光切割是利用激光发生器所发出的激光束,经透镜聚焦后在焦点处聚成一极小的高能量光斑,使光斑聚焦在材料合适位置,被材料吸收激光能量,迅速汽化、熔融、烧蚀或者达到燃点,并配合高压辅助气体(有二氧化碳气体,氧气,氮气等)吹走熔化废渣的过程。激光头由程控的伺服电机驱动下,切割头按照预定路线运动随着光束在材料上的移动,从而切割出各种形状的工件。    

激光切割原理   

激光切割的分类

光有红橙黄绿,可以物体吸收,也可以被反射;激光也是光,根据波长不同也会体现不同的特性。激光发生器的增益介质(就是能把电能转化成激光的媒介)决定了激光波长、输出功率和应用领域。激光器的增益介质可以分为气体、液体和固体。

1. 气体中具有代表性的是CO2气体激光器;

2. 固体中具有代表性的包括光纤激光器和YAG激光器、红宝石激光器、半导体激光器等;

3. 液体激光器是利用某些液体(通常是有机溶剂,如染料)作为产生激光的工作媒介,发射出激光。

不同的切割对象材料,能够吸收的激光波长不同,需要适配合适的激光发生器。目前汽车行业应用最广泛的还是光纤激光发生器。

-激光切割方式分类


主要分为熔化切割、氧化切割、汽化切割、导向断裂切割等。下表为常见的切割方法分类,其中熔化切割和氧化切割尤为常见,下面会着重讲一下这两种切割方法,对于另外两种切割方法,有兴趣的同学可以自行研究。

激光熔化切割

激光熔化切割时,用激光加热使金属材料熔化,然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体(Ar、He、N等),依靠气体的强大压力使液态金属排出,形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化,所需能量只有汽化切割的1/10。

1)  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。

2)  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,限制因素就是割缝处的气压和材料的热传导率。

激光氧化切割原理类似于氧乙炔切割。它是用激光作为预热热源,用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用,发生氧化反应,放出大量的氧化热;另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出,在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热,所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2,而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。氧化切割过程存在两个热源:激光束照射能和化学反应所产生的热能。据估计,切割碳钢时,氧化反应所产生的热能占切割所需能量的60%。

在氧化切割过程中,如果氧化燃烧的速度高于激光束移动的速度,割缝将变宽且粗糙,反之,如果移动速度慢,则割缝窄而光滑。

 总结:选择切割方法,需考虑它们的特点和板件的材料,有时也要考虑切割的形状。

激光汽化切割相对熔化需要更多的热量,适用于极薄的金属材料及非金属材料的切割。

激光氧化切割则借助氧气与金属的反应热使速度更快,切缝质量相对较差,适用于厚板切割。

激光熔化切割因为保护气的使用,防止熔渣飞溅,割缝平整,切割质量好,汽车钣金行业应用最广。

另外,熔化切割和气化切割可获得无氧化切缝,对于有特殊要求的切割有重要意义。

激光切割工艺及设备

激光切割的工艺流程相对比较简单,根据不同的产品提前设置激光切割路径及参数程序,一般先切孔,再切边。首件调试合格后便可直接进行切割生产。但是要想切割出质量最好的产品也绝非易事,它与切割材料、激光模式、功率、切割速度、辅助气体压力等关系密切。

激光切割工艺及设备

激光器工作模式


激光器一般有三种工作模式:连续模式、调制模式、脉冲模式。

在连续模式下,激光输出的功率是恒定的,这使得进入板料的热量比较均匀,它适合于一般情况下较快速的切割,一方面可以提高工作效率,另一方面也是避免热量集中导致热影响区组织恶变的需要。

调制模式的激光功率是切割速度的函数,它可以通过限制在各点处的功率使进入板料的热量保持在相当的低水平,从而防止切缝边缘的烧伤。由于它的控制比较复杂,因此效率不是很高,只在短时段内使用。

脉冲模式虽可细分为三种情况,实质上只是强度的差别,往往根据材料的特性和结构的精度来选择。

激光器工作模式      

总结:激光器经常运行在连续输出模式,为了得到最佳的切割质量,对于给定的材料,有必要调整进给速率,例如拐弯时的加速,减速和延时。因此,在连续输出模式下,降低功率是不够的,必须通过变化脉冲来调整激光功率。


保护气体

激光切割设备所用气体包括激光器工作气体,保护气体,辅助气体。

激光切割设备所用气体

切割不锈钢和一些高强度钢一般用氮气,作用是用来杜绝氧化反应和吹掉熔融物,对氮气的纯度要求较高,8mm以上的不锈钢,要求一般达到99.999%的纯度。

氧气适合于厚板切割、高速切割和极薄板切割。

空气适合于铝板、非金属及镀锌钢板的切割,在一定程度上它可以减少氧化膜且节省成本。

从成本来说,切割碳钢用氧气相对便宜,切割碳钢的氮气用量很大。越厚的不锈钢的量氮气量和纯度都要求很高成本很大。

目前高纯氮气的切割成本约35-40CNY/h,高于利用氧气的切割成本,约10-15CNY/h。


总结:激光切割的速度最大能达到40m/min,实际加工往往只有最大速度的1/3—1/2,因为速度越高,伺服机构的动态精度就越低,直接影响切割质量。切割圆孔时,切速越高,孔径越小,加工的圆度就越差。只有在长直线切割时才可以使用最大切速来提高效率。在实际切割过程中,需要根据产品的材料,厚度以及相关的技术要求,通过调整激光功率、气压等相关参数达到适合产品的最优切割速度。


激光切割设备

激光切割的设备大体主要由以下几个部分组成:床身、工作台、切割头、控制系统、激光控制柜、激光器、冷却设备、除尘装置、供气系统等。

 激光切割设备

目前市场上常见的激光器厂商有:通快、IPG、相干(罗芬)。

激光切割设备厂商有:通快、普瑞玛、业纳、大族、化工等。

进口激光切割单元:3KW—4KW激光器,投资约500万RMB,国产激光切割单元:3KW IPG激光器,三位六轴,投资约200—300万RMB。

 激光切割参数设置

激光切割参数设置  

根据不同的产品要求,需要不断调试不同工况下的参数才能达到最佳工艺参数。激光切割名义上可以达到的定位精度为0.08mm,重复定位精度为:0.03mm,实际上能做到的最小公差为:孔径±0.05mm,孔位±0.2mm。

输出功率选择

不同材料及不同厚度需要熔化的能量不同,所需的激光器输出功率也不同。生产时需要平衡生产速度及质量,选择设置合适的输出功率及切割速度,保证切割区域能有恰当的能量,材料能被有效熔融并被即使吹走。

(激光器将电能转化成激光能量的效率大约在30%~35%左右,输出功率1500W,输入功率4285W~5000W左右,真正的输入耗电量远大于标称输出功率哦。另外,能量守恒原则,其它能量则转化为热能散发,所以激光器需要配备冷水机来降温。)

激光切割参数设置

激光切割成本实例

- 激光切割生产单元总价:500万RMB

- 辅助气体:氮气,流量25L/min

- 零件材料:DC05

- 零件厚度:4mm

- 零件总周长:2000mm

- Φ8孔位:6个,平均间距150mm

- 跳转启停时间:0.1s,跳转速度:100m/min

- 固定人员:1人/班

- 人工费率:35CNY/h

结合本文所讲到的内容,小伙伴们赶快动手算算你认为这个成本是多少呢?欢迎在评论区留言交流~ 


 


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