激光切割工艺在机械加工中的应用

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  摘 要:我国社会经济水平不断提升,机械加工行业获得了迅猛发展。激光切割工艺作为机械加工中的重要技术,尤其对于硬质金属材料的加工来说,取得了良好的应用效果。使用激光切割技术可以大幅增强机械加工的效率与质量,还可以对复杂的物料形状进行加工。综上所述,本文将对激光切割工艺在机械加工中的应用策略进行分析,以期增强激光切割工艺的应用效果。
  關键词:激光切割;机械加工;应用策略;发展趋势
  前言:激光切割工艺作为机械加工行业中的主要技术,是高效的钣金加工手段,被汽车、船舶、航空、制造、化工等多个行业领域广泛应用。激光切割工艺具备极为广泛的应用前景,随着我国现代科学技术水平快速提升,使人们更加重视激光切割工艺在机械加工中的应用效果,从而促进我国制造业获得进一步的发展。
  一、激光切割工艺工作原理与优势解析
  (一)激光切割工艺工作原理
  激光的主要形式为平行光束,会具备较强的同调性,还具备单色波长等性能特征。使用激光切割工艺进行机械加工过程中,是利用激光束与物质互相作用的特性。在进行相关科学实验时,利用电管以电流、光的能量方式对原子内含有易激发物质或某晶体进行撞击,在撞击之后其自身所带电子将会处于能量较高的状态,将高能量电子向低能量电子进行转化之后[1],原子将会产生更加巨大的能量,从而释放出光子。在这个状态下,被释放的光子会对原子进行持续撞击,使光子持续生成光子,这个过程会形成循环,且向相同的方向进行运行,并集中成一束能量极强的光,这便是激光的主要原理,由于激光的能量十分强大,可轻易穿透任何材质。
  (二)激光切割工艺应用在机械加工中发挥的优势
  在机械加工过程中经常会使用的材料为刚才,使用激光切割工艺可以提升加工效率与质量。第一,使用激光切割工艺可以增强加工零件尺寸精度,相比于等离子、手工等传统加工方式来说,激光切割工艺可以快速对所需零件形状与尺寸进行加工,将精度误差控制在不超过0.1mm范围内。使用激光切割工艺所加工的零件断面效果良好,表面较为光滑,可以进行更加精密的拼接与配合。第二,相比于传统的机械加工方式,激光切割工艺花费的成本较低,虽然购置激光加工机成本高,但后期投入使用时,会具备加工速度快、能耗低、零件加工合格率高等特点。
  二、激光切割工艺类型
  激光切割工艺包含多种类型,可以通过激光切割原理与激光切割工艺对其进行分类,另外还可以利用组织结构、切割材料等方式进行分类。
  (一)切割原理类型
  1.汽化切割
  通过高功率密度激光束的加热作用下,0.5-6.0mm[2]厚度的材料板表面温度会迅速提升并达到沸点,避免热传导造成的熔化现象,会使部分材料出现气化或蒸汽小时的现象,部分材料会成为喷出物从底部的切缝由辅助气体流吹走。使用汽化切割工艺时,通常使用氮气或氩气。
  2.高压气聚焦熔化切割
  在激光束功率密度超过一定值之后,光束的照射点部位材料从内部开始蒸发并形成孔洞,之后其作为黑体会对全部的入射光束能量进行吸收。之后熔化的金属壁会将小孔保卫,利用与光束相同轴数的辅助气流会将小孔洞周边的熔融材料吹走,这种办法使用的切割气体为氮气。
  3.氧化熔化切割
  在使用氧化熔化切割工艺时,经常会使用惰性气体,如果使用氧气或其他活性气体,对材料进行切割加工时,将会由于激光的照射被点燃,会与氧气产生剧烈的化学反应从而生成另一热源。这种办法可以获取较高的切割速度,使用的气体为氧气。
  (二)激光器类型
  1.二氧化碳切割
  这种切割工艺会对金属、纸张、林材、塑料或其他非金属材料进行切割。
  2.YAG切割
  可对金属、陶瓷、塑料等材料进行切割。
  3.光纤激光切割
  可对金属、陶瓷、塑料等进行切割。其中包含二氧化碳切割办法的速度与切割质量,还不会花费过高的操作成本,逐渐成为未来激光切割工艺的主要发展趋势。
  三、激光切割工艺在机械加工中的应用分析
  (一)激光功率
  对激光功率造成影响的部分为激光器,激光功率与切割速度成正比,即激光功率越大则切割速度越快,还会增强激光切割效果。激光功率不仅会受到自身硬件条件的限制,还会受到外界多种因素的影响,其中包含切割加工材料的性质、材料的导热性能等方面。例如使用激光切割工艺在对表面较为光滑的材料进行切割时,会使光反射率较高,从而增强激光的利用效率[3],达到更好的切割效果。如果切割材料作为良性热导体,将会使切割点位的热量迅速扩散到机械加工材料的其他部位,还会造成热区效应情况出现,还会造成机械加工材料变形、切口粗糙等问题。
  (二)切割速度
  对激光切割工艺的切割速度造成影响的因素较多,例如切割工艺不同、机械加工材料不同、切割气体压力大小等。一般来讲,激光能量越高、材料的厚度越小,会使激光切割的气体压力越大,切割的速度更快。其中值得注意的是,在使用激光切割工艺进行机械加工过程中,不能仅仅增强激光切割速度,还需要确保激光切割工艺的质量。尤其在对精度要求较高的机械零件进行加工时,需要增强激光切割工艺的精确程度,才能为机械加工零件的可用性提供保障。
  (三)气体压力
  使用激光切割喷吹气体可以发挥以下作用:第一,将被切割的金属材料进行熔化,使用喷吹气体的压力将液态的金属吹走,形成最终切口。第二,对氧助熔化进行切割,在切割过程中,气体会与被切割的金属材料出现反应放热,为激光切割提供部分能量。可见气体会对激光切割工艺的质量形成较大影响。不同的气体喷嘴会造成不同的气体流量。在功率与切割材料板厚度一定的情况下,会形成最优的切割气体流量。无论使用哪一种激光切割方式,都要对气体压力进行严格、科学的控制,才能确保气体在吹出熔化金属与氧化物的同时,增强切口的整齐性,从而提升激光切割工艺的加工质量。
  (四)光束质量
  激光器在输出光束时,若是将模式调整为基横模,将会增强激光切割的加工效率,使用聚焦的方式,可以获得较小的光斑,还可以增强功率密度。通过对相关研究数据分析可以看出,在进行非氧助切割时,切口的宽度会与激光光斑直径基本相同。光斑的大小程度会与聚焦透镜焦距为正比。短焦距透镜会得到直径较小的光斑,焦深也会较小。焦深小,可以进行激光切割的材料板厚度越薄,会对工件表面与透镜之间的距离进行更加严格的要求。在对厚材料板进行切割时,需要选择焦距较大的聚焦透镜。离焦量会对切割速度与切割深度造成较大的影响,要确保在切割过程中离焦量不能出现变化,可使用负值作为离焦量。
  四、激光切割技术的发展趋势解析
  根据目前激光切割技术的应用情况来看,激光切割技术的速度不断提升,未来也会朝多自由度、高智能化等方向进行发展。为了满足汽车、船舶等行业领域的立体工件切割需求,三维激光切割机研发出更多的5轴、6轴机,使激光切割工艺效率更高、精度更高、功能性更多。另外激光切割机器人技术更加成熟,也被广泛应用在实际机械加工的过程中。
  结语:使用激光切割工艺进行机械加工,可以增强加工零件的精度,还可以使加工零件表面光滑,为后续的利用奠定良好基础。相比于传统的加工方式,激光切割工艺还会减少成本投入、降低能耗、提升加工效率。在未来,激光切割工艺还会朝智能化等多个方向进行发展,从而促进我国机械加工行业获得进一步发展,激光切割工艺也会被更多的行业领域所应用,从而促进我国科学技术水平不断提升。
  参考文献:
  [1]齐忠军,李晓明,王涛. 激光切割工艺在机械加工中的应用[J]. 农业科技与装备,2014(05):63-64.
  [2]叶德军. 机械加工中激光切割工艺的应用分析[J]. 民营科技,2018(07):23.
  [3]杨柯权,付宗国,于宏斌. 国内金属切割工艺的应用现状及发展分析[J]. 机械工程师,2017(05):56-58.
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