激光切割工艺参数研究.doc

激光切割工艺参数研究

系部、专业：电信学院光电子技术专业

班级：光电11301

设计者：徐震指导教师：周琦

2013年11月29号

目录

摘要 (1)

第1章激光切割的特点、过程及特

1.1 激光切割的过程 (4)

1.2 激光切割的特点 (4)

第2章激光切割原理与实 (5)

2.1激光切割 (5)

2.2实验条件 (5)

2.2.1实验设备 (5)

2.2.2试片材料及规格 (5)

2.2.3去离子水浓度 (5)

第3章激光切割工艺实验方案 (6)

3.1工艺实验问题点 (6)

3.2激光切割质量检验标准 (6)

3.3打孔点位置 (6)

3.4穿孔的参数 (6)

3.5光束半径补偿 (7)

3.6激光功率 (8)

3.7切割速度 (8)

3.8 辅助气体种类、压力 (9)

3.9 激光切割不锈钢金属工艺性分析 (9)

第4章激光切割实验及结果 (11)

第5章结论 (12)

5.1 (12)

5.2 (12)

结束语 (13)

参考文献 (14)

致谢 (15)

摘要：目前，在航空发动机产品中，很多零件需要进行孔的加工，为了高效、准确的加工出高质量的孔，激光切割无疑是较好的加工方法，本文根据我公司研制产品结构及设计要求开展了针对航空产品加工孔时进行不同材料的工艺研究，阐述了激光切割的基本原理，确定了不同金属板材激光切割工艺试验方案，得出了工艺试验研究的结论。

关键词：材料；激光切割；工艺研究

1 激光是原子核外电子受激辐射经光放大而形成的光辐射。它能有效地解决传统加工方法无法解决的问题，尤其是那些高硬度、高脆性

材料的切割加工。

1.1 激光切割的过程

激光是利用经过聚焦的高功率激光束（常用c02连续或yag脉冲激光）照射被加工物体表面，并辅助同轴喷射具有一定压力的气体（可以是压缩空气、氧气或惰性气体如氮气、氩气等），光束的能量以及活性辅助气体与工件材质发生化学反应的反应热被材料吸收，使材料熔化甚至汽化，随着光束与工件的相对移动，最终在工件上形成切缝。1.2 激光切割的特点

与线切割、慢走丝、电脉冲等切割方法相比，激光切割无磨损、零件不受外力，效率高，噪声低，精度高，生产成本低，质量可靠等优点；与电子束相比，激光加工不受电磁干扰。

目前所涉及激光切割加工的产品共30余种零件，涵盖了静子环、导向器、扩压器、燃烧室、风扇机匣等产品；材料主要分为3类：不锈钢、钛合金、高温合金；加工的结构主要为切不同形状的孔。

2.1 激光切割

激光对材料的切割实质上就是对材料进行破坏。激光束打到工件表面，工件表面就会吸收和反射激光，这种吸收和反射主要取决于工件的材料种类。工件表面吸收激光能量，使自身温度上升，从而改变工件的结构和性能，造成不可逆的破坏。

激光切割大致可分为汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制断裂切割四类。本文涉及到的激光切割属于熔化切割，就是利用一定功率密度的激光束加热工件使之熔化，形成孔洞，同时依靠非氧化性辅助气流把孔洞熔融材料吹除、带走，形成割缝。

2.2 试验条件

2.2.1 试验设备

本试验使用的激光切割设备为德国dmg公司的lasertec 80fc。lasertec 80fc配备的激光器为lasag 系列的fls352n 激光发生器。

2.2.2 试片材料及规格

工艺试验是依据公司产品的材料、结构等特点进行制作，材料主要为不锈钢、钛合金、高温合金，每种的厚度都为（1，1.5，2，2.5，3，单位为mm）。

2.2.3 去离子水浓度

去离子水浓度要求2微西门子以下，最高不要超过5微西门子。

3.1 工艺试验问题点

工件在切割前，要对工件的加工工艺点进行分析，如工件的材料、厚度、切割路径、尺寸精度、切割质量因素影响（含气体的种类、压力、纯度等）等。零件的轮廓精度主要靠数控系统来保证。

零件的尺寸精度主要取决于工作台的机械精度和系统控制精度，而影响切割表面质量的因素很多，如激光、聚焦透镜、机械控制系统、材料、工艺参数等。

3.2 激光切割质量检验标准

切割质量主要对切口表面形貌（波纹度、表面粗糙度）、切口的垂直度、背面挂渣量、尺寸精度等要素来评价。我公司产品切口表面质量的检验方法有两种：一是目视检查；二是重熔层检查。

3.3 打孔点位置

3.4 穿孔的难度:穿孔的原理:任何一种热切割技术，除少数情况可以从板边缘开始外，一般都必须在板上穿一个小孔。之前在激光冲压复合机上是用冲头先冲出一个孔，然后再用激光从小孔处开始进行切割。

适当的穿孔条件:在采用脉冲穿孔的情况下，为了获得高质量的切口，从工件静止时的脉冲穿孔到工件等速连续切割的过渡技术应加以重视。从理论上讲通常可改变加速段的切割条件，如焦距、喷嘴位置、气体压力等,但实际上由于时间太短改变以上条件的可能性不大。在

工业生产中主要采用改变激光平均功率的办法比较现实，具体方法是改变脉冲宽度；改变脉冲频率；同时改变脉冲宽度和频率。

防止在对不锈钢进行穿孔时出现须状物：激光焦点的上下位置不正确，需要做焦点位置测试，根据焦点的偏移量进行调整；激光的输出功率不够，需要检查激光发生器的工作是否正常，如果正常，则观察激光控制按钮的输出数值是否正确，加以调整；切割的线速度太慢，需要在操作控制时加大线速度；切割气体的纯度不够，需要提供高质量的切割工作气体；激光焦点偏移，需要做焦点位置测试，根据焦点的偏移量进行调整；机床运行时间过长出现的不稳定性，此时需要关机重新启动。

激光切割加工不锈钢和敷铝锌板时，工件有毛刺产生的分析

以上情况的出现，首先考虑切割低碳钢时出现毛刺的因素，但不可简单地加快切割速度，因为增加速度有时会出现板材切割不穿的情况，此种情况在加工敷铝锌板时尤为突出。这时应综合考虑机床的其他因素加以解决，如喷嘴是否要更换，导轨运动不稳定等。

提高加工精度的方法：激光束产生的光斑如果很小，精度就会越来越高、工作台精度越高，切割质量也就会上升。切割材料上的选择3.5光束半径补偿

由于激光束存在发散现象，因此聚焦后不可能是一个几何点而是一个具有一定直径的光斑，精密切割时为满足零件的尺寸要求必须对其进行半径的自动补偿，在实际的激光切割中，光斑直径一般在

0.1-0.2mm，自动补偿时激光束中心轨迹偏离理论轮廓一个光斑半径，并对偏移后的中心轨迹进行处理。激光束的半径补偿同其他刀具半径补偿一样，在程序中置入所采用的加工刀具的半径值。

3.6 激光功率

激光切割机在加工过程中存在最佳的功率范围，当功率较小时，光束的能量不足使金属快速熔化，同时辅助气体的压力不能很快清除熔融金属，使切割表面粗糙度增大；随着激光功率的增大，开始获得较好的切口质量；当激光功率进一步增大时，单位时间内切割光斑中心处的能量密度增大，作用在材料单位面积上的激光能量增加，产生的热量增加，板材的熔化量也随着增大，但由于熔化物流动性差，致使熔渣不能及时排出，而且辅助气体的流量不能足以及时冷却切口会使切口产生烧灼现象，出现不规则纹理，从而引起切口表面质量的下降。

3.7 切割速度

切割用的激光束能量呈高斯分布，切割速度过高，激光与材料相互作用的时间短，作用于工件表面上起作用的有效的光斑面积减小，切口宽度相应的减小，而光束的照射点向切口前沿靠近，切口前沿的熔化速度跟不上激光束的前移速度，切口出现后拖线，切口表面粗糙度增加和切口下部出现挂渣；切割速度过低，激光与材料相互作用的时间加长，对材料起作用的有效光斑的面积增大，切口宽度自然随之增大，而此时切割速度跟不上熔化速度，过剩的反应热使切口发生过度熔化，热影响区随之增大，从而形成较宽的、不整齐的切口。

3.8 辅助气体种类、压力[1]

激光切割需用辅助气体，对辅助气体的基本要求是：进入切口的气流量要大，速度要高，主要涉及到辅助气体的种类、压力和纯度。辅助气体的主要作用有几点：（1）充足的气体将熔融材料喷射带出；（2）冷却作用；（3）有利于提高工件对激光的吸收率；（4）提高切割速度；（5）获得更佳的切割质量。保护气体我们常用氮气、氩气和氧气，压力为10-15bar。

3.9 激光切割不锈钢金属工艺性分析

碳钢激光切割机加工工艺：现代激光切割系统可以切割碳钢板的最大厚度可达20MM，利用氧化熔化切割机制切割碳钢的切缝可控制在满意的宽度范围，对薄板其切缝可窄至0.1MM左右。

不锈钢激光切割机加工工艺：激光切割对利用不锈钢薄板作为主构件的制造业来说是个有效的加工工具。在严格控制激光切割过程中的热输入措施下，可以限制切边热影响区变得很小，从而很有效的保持此类材料的良好耐腐蚀性。

合金钢激光切割机加工工艺：大多数合金结构钢和合金工具钢都能用激光切割方法获得良好的切边质量。即使是一些高强度材料，只要工艺参数控制得当，可获得平直、无粘渣切边。不过，对于含钨的高速工具钢和热模钢，激光切割时会有熔蚀和粘渣现象发生。

铝及合金激光切割机加工工艺“铝切割属于熔化切割机制，所用

辅助气体主要用于从切割区吹走熔融产物，通常可获得较好的切面质量。对某些铝合金来说，要注意预防切缝表面晶间微裂缝产生。

铜及合金激光切割机加工工艺：纯铜（紫铜）由于太高的反射率，基本上不能用CO2激光束切割。黄铜（铜合金）使用较高激光功率，辅助气体采用空气或氧，可以对较薄的板材进行切割。

综上所述，激光功率、切割速度、辅助气体压力等对切缝质量均有较大影响，除此之外，光束直径、散焦量等参数对切割质量均有一定程度的影响，在试验中使用的设备为lasertec 80fc，激光功率通过调节脉宽、频率、电压进行控制。进给速度、辅助气体压力在数控程序中自行设定。

4 激光切割试验及结果

本试验根据试验方案进行展开，分别对不锈钢试片、高温合金试片和钛合金试片进行了激光切割试验。

将工艺试验中确定的工艺参数及数控程序用于加工相同材料及厚度的正式产品，可得到相同的表面质量和尺寸精度，所以在加工正式产品前一般都先对相同材料及厚度的试片进行试切，以降低废品率和生产成本。

5 结论

本文针对不锈钢、钛合金、高温合金板材进行激光切割试验研究，通过试验得出如下主要结论：

5.1 脉宽、频率、电压、激光功率、切割速度、保护气体压力等工艺参数的确定只与零件材料及厚度有关，与切缝形状及大小无关。

5.2 在加工每批正式产品前，先对相同材料及厚度的试片进行试切，切割质量稳定后，固化加工参数和数控程序。

在今后的工作中，继续在航空产品中，开展不同材料、不同厚度的激光切割试验，建立激光切割工艺参数数据库；开展激光三维切割及打孔工艺技术研究。

总之，在产品研制过程中，激光加工工艺技术在某些方面将逐步替代，而且一定会起到越来越关键的作用。

结束语

激光切割是激光加工中应用最早、使用最多的加工方法。以日本为例, 目前已拥有CO2激光加工机2万台, 约占全球激光加工机总量的1/3, 其中80%为激光切割设备。据统计, 日本自1995年以来, 年生产Co2激光加工机已超过500台左右, 其中YAG激光切割机100多台。而我国至今却只有600多台套激光切割机在使用中。随着我国国民经济的飞速发展, 许多传统产业需要改造, 许多饭金加工领域有待开发, 许多工业城市也需要建立激光加工中心。

因此, 我国激光切割技术的推广和应用潜力很大。据不完全统计我国目前每年生产CO2激光切割机近100台, 共1.5亿元人民币。其中除了通用的CO2激光切割机之外, 还需要高速、高精度的数控激光切割机, 切割厚板的大型数控激光切割机, 三维立体数控激光切割机及激光切割机器人等[7]。虽然激光切割的发展趋势较快, 但应用水平与发达国家相比差距较大。至2003年我国已在工业生产中使用的CO2激光切割系统累计已达500台左右, 约占全世界正运行系统总量

的1.5%。

作为20世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。虽然，激光切割技术由于受CAD应用不平衡、激光切割设备价格过高等因素的制约，激光切割设备在许多企业特别一些中小企业尚未使用，但我相信，随着我国入关以及激光技术和产品不断的成熟，激光加工技术必将为我国的制造与加工业带来前所未有的广阔前景。

参考文献

[1]张永康.激光加工技术[m].北京：化学工业出版社，2004.

[2]lasertec 80fc激光切割机培训教程.dmg公司培训教材.2008.

致谢

本次毕业设计是在我的导师周琦老师的悉心指导下完成的。周琦老师丰富的专业知识、严谨的治学精神和一丝不苟的教学态度让我深受启发，从论文的选题、课题研究展开到论文撰写、修改定稿过程，无不凝聚了导师的心血,不仅使本人树立了远大的学习目标、掌握了基本的研究方法，还使本人明白了许多为人处事的道理。在此向他表示衷心的感谢！同时要感谢我的学校，让我愉快而有意义的度过这三年的大学时光！