項目任務(wù)七激光切割加工

項目任務(wù)七、激光切割加工授課安排授課時數(shù)8教具需要大功率激光切割機、電腦、加工材料、設(shè)備使用說明書電子版和紙介質(zhì)版、多媒體設(shè)備課刖準(zhǔn)備大功率激光切割機生產(chǎn)廠家現(xiàn)場教學(xué)聯(lián)系、電子資料的收集學(xué)標(biāo)教目知識目標(biāo)知識上掌握切割設(shè)備的結(jié)構(gòu)和切割工藝參數(shù)對激光切割的影響。能力目標(biāo)技能上要求利用激光切割機進行編程切割加工。情感目標(biāo)通過激光切割增加學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣、自信心和成就感，提高學(xué)生的分析處理問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神。教學(xué)方法教法項目教學(xué)法。先用4學(xué)時介紹大功率激光切割設(shè)備和切割工藝，再用4學(xué)時組織學(xué)時現(xiàn)場參觀教學(xué)。學(xué)法直觀分析法，模擬訓(xùn)練法，現(xiàn)場參觀法、學(xué)練結(jié)合法，討論歸納法。學(xué)點教重1?大功率激光切割設(shè)備。2?激光切割編程加工。學(xué)點教難大功率激光編程切割加工。教學(xué)過程—、項目提出圖8-1各種激光切割鈑金材料圖大功率激光切割在鈑金加工行業(yè)應(yīng)用廣泛，發(fā)展前景好，操作大型數(shù)控激光切割機進行鈑金加工是一項技術(shù)含量較高的工作，做到熟練掌握其加工技術(shù)，需要熟練掌握有關(guān)設(shè)備知識和加工工藝方法，學(xué)會進行工藝流程整體設(shè)計。二、 項目分析要熟練進行大功率激光切割，必須具備相關(guān)知識技能如下：了解大功率激光切割機種類、結(jié)構(gòu)和操作方法；掌握影響激光切割效果的因素；學(xué)會調(diào)整激光切割工藝參數(shù)進行激光切割加工；學(xué)會整體設(shè)計規(guī)劃激光切割工藝試驗。三、 項目計劃決策利用有關(guān)圖片和現(xiàn)場教學(xué)了解大功率激光切割機的種類、結(jié)構(gòu)及操作方法；利用多媒體設(shè)備介紹影響激光切割效果的因素；3?現(xiàn)場教學(xué)，調(diào)整激光切割工藝參數(shù)進行激光切割加工。四、 項目實施準(zhǔn)備各種多媒體課件制作，相關(guān)網(wǎng)站資料收集，生產(chǎn)性實訓(xùn)基地影響。五、 項目實施及檢查大功率激光切割機種類及結(jié)構(gòu)廣大功率激光、

切割機定光路型〕混合光路型〕（飛行光路型圖8-2按數(shù)控系統(tǒng)區(qū)別分類圖

圖8-3大型激光切割機實物圖圖8-4大型激光切割機模型圖1一險卻摳彖査徹光汽瓶3—霍斷吒燭預(yù)—空氣干操備E—地桂裝査6—損咋搔亠7-m.電功機&一囚剖工件臼9一割飪IQ—關(guān)焦遠(yuǎn)撓II一絲桿IL反時険"13TS去童1i—光麗菰第16—光電涯門一伺頤電動切科劇晅柜動袪圖8-5大型激光切割機結(jié)構(gòu)圖激光切割設(shè)備各結(jié)構(gòu)的作用如下。（1） 激光電源：供給激光振蕩用的高壓電源。（2） 激光振蕩器：產(chǎn)生激光的主要設(shè)備。（3） 折射反射鏡：用于將激光導(dǎo)向所需要的方向。為使光束通路不發(fā)生故障，所有反射鏡都要用保護罩加以保護。（4） 割炬：主要包括槍體、聚焦透鏡和輔助氣體噴嘴等零件。（5） 切割工作平臺：用于安放被切割工件，并能按控制程序正確而精確地進行移動，通常由伺機電機驅(qū)動。（6） 割炬驅(qū)動裝置：用于按照程序驅(qū)動割炬沿X軸和Z軸方向運動，由伺服電動機和絲桿等傳動件組成。（7） 數(shù)控裝置：對切割平臺和割炬的運動進行控制，同時也控制激光器的輸出功率。（8） 操作盤：用于控制整個切割裝置的工作過程。（9） 氣瓶：包括激光工作介質(zhì)氣瓶和輔助氣瓶，用于補充激光振蕩器的工作氣體和供給切割用輔助氣體。（10） 冷卻水循環(huán)裝置：用于冷卻激光振蕩器。激光器是利用電能轉(zhuǎn)換成光能的裝置,如CO2氣體激光器的轉(zhuǎn)換效率一般為20%，剩余的80%能量就變換為熱量。冷卻水把多余的熱量帶走以保持振蕩器的正常工作。（11） 空氣干燥器：用于向激光振蕩器和光束通路供給潔凈的干燥空氣，以保持通路和反射鏡的正常工作。1一工件?2—囚劃嘖嘴3—氮汽進汽管4一氣汽［壓力表5—透鏡.冷卻水套宀

聚焦透鏡7—撤光束8—反射鏡冷卻水套9一反斛鏡5—伺服電動機亠11一滾殊絲桿12—放大控制及駆動電器13T蟲査件感器4圖8-6大型激光切割機割矩結(jié)構(gòu)圖類型氣體封閉式表8-1幾種旳2激光器的主要特性構(gòu)成簡圖實用輸出

功率/W優(yōu)點缺點高壓電類型氣體封閉式表8-1幾種旳2激光器的主要特性構(gòu)成簡圖實用輸出

功率/W優(yōu)點缺點高壓電熱擴散冷卻100結(jié)構(gòu)簡單功率小，實用性差高壓電源低速軸流式CO/N/Hen|ry氣體冷媒向冷媒的熱擴散冷.氣體可獲得穩(wěn)定的基模激光低速軸流式CO/N/Hen|ry氣體冷媒向冷媒的熱擴散冷.氣體可獲得穩(wěn)定的基模激光外形尺寸較

大，維護保

養(yǎng)較難高速軸流式3000可在體積不大

的情況下獲

得

較大的輸出

功

率，維護保養(yǎng)

方便輸出功率的

穩(wěn)定性取決于

風(fēng)機的可靠性橫流式高壓電源Lr^_氣體流熱交換器風(fēng)機15000可獲得很咼的輸出功率光束能量分

布

為復(fù)式，效率

較低2?影響激光切割效果的因素(1)激光切割質(zhì)量評價體系圖8-7大型激光切割機切割質(zhì)量評價體系圖(2)切割效果影響因素/機械系統(tǒng)牯度i恂朋響應(yīng)謹(jǐn)能\高速軸流式3000可在體積不大

的情況下獲

得

較大的輸出

功

率，維護保養(yǎng)

方便輸出功率的

穩(wěn)定性取決于

風(fēng)機的可靠性橫流式高壓電源Lr^_氣體流熱交換器風(fēng)機15000可獲得很咼的輸出功率光束能量分

布

為復(fù)式，效率

較低2?影響激光切割效果的因素(1)激光切割質(zhì)量評價體系圖8-7大型激光切割機切割質(zhì)量評價體系圖(2)切割效果影響因素/機械系統(tǒng)牯度i恂朋響應(yīng)謹(jǐn)能\工惟臺振動程度\光束抵動捏度\建度調(diào)節(jié)范同類式率徑性性種模功半振定光光光斑偏穩(wěn)激激激光束式光模機挾控制系統(tǒng)聚焦透鏡激光性能加工系統(tǒng)性能和瀏光束品質(zhì)的加工材料因素和工藝參數(shù)的影響切割速度* 1輸出功率」 \焦點位置」 、脈沖頻率和占空比離焦星卩輔助氣體」Iwlr件距離)外光躋屮圖8-8大型激光切割機切割影響因素圖到企業(yè)進行現(xiàn)場教學(xué)。六、 項目評價及討論課堂請同學(xué)歸納總結(jié)并布置課下作業(yè)如下：1?簡述影響激光切割效果的工藝參數(shù)。2?簡述激光切割設(shè)備基本構(gòu)造。3?激光切割工藝實驗報告。七、 項目必備理論知識或其它參考資料

（一）工藝參數(shù)對切割質(zhì)量的影響1.激光輸出功率激光輸出功率是與熔融被加工材料能力有直接關(guān)系的參數(shù),而影響的程度則依被加工材料對激光的反射率、熔點、耐氧化性的不同而有所不同。對特定材料，激光輸出功率越大,所能切割的材料厚度也越厚。激光功率增加，切割速度變大時切割質(zhì)量仍然很好，切割速度的變化范圍也隨之?dāng)U大,這樣也就提高了切割的質(zhì)量穩(wěn)定性和效率。激光輸出功率變化，在其他條件不變時，激光功率密度變化。激光功率密度P0與切割面粗糙度Rz的關(guān)系如圖8-9所示，隨著激光功率密度的提高，粗糙度降低。當(dāng)功率密度P0達到某一值后，粗糙度Rz值不再減小。功率密度P功率密度P/W?cm-20圖8-9激光功率密度與切割面粗糙度的關(guān)系我們可以根據(jù)加工過程中火花和加工后的切割面的情況，來判斷使用的激光功率是否合適。如圖8-10所示，激光輸出功率遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)值時，切縫周圍的熱影響區(qū)（燒痕）增大，轉(zhuǎn)角部位出現(xiàn)熔損，切割面條痕變粗，且從上部垂直延伸至下部。（b） （c（b） （c）圖8-10輸出功率對加工的影響（a）輸出功率過大的情況（b）輸出功率不適當(dāng)?shù)那闆r（條痕粗糙并且垂直）如果激光輸出功率遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)值時，切縫下部就顯著變粗，成為凹進去的狀態(tài)。而且,沾渣的附著量增多并很難去除。切割過程中的火星明顯滯后于切口前端。合適的加工激光功率存在于一定的范圍內(nèi)，被加工板材越薄，功率調(diào)節(jié)范圍就越寬。在適當(dāng)?shù)募す夤β蕳l件下的加工，切割面的條痕細(xì)，下部相對于光束部位稍有滯后。切割速度

激光輸出功率和切割速度一起決定被加工件的熱輸入量，激光切割速度直接與有效功率密度成正比。而激光功率密度與又激光輸出功率、光束模式和光斑尺寸有關(guān)。除此之外，切割速度還與材料密度、材料起始蒸發(fā)能和材料厚度有關(guān)。對金屬材料，在特定工藝條件下，切割速度存在一個合理的調(diào)節(jié)范圍，如圖8-11所示。曲線上限表示允許的最高切割速度，下限表示防止材料切割時發(fā)生過燒的最低切割速度。如圖8-12所示為鋼在某一功率條件下，材料厚度和切割速度的關(guān)系曲線。不完全切割區(qū)過燒切割區(qū)材料厚度/mm切割速度與材料厚度關(guān)系度速割切質(zhì)量滿意切割區(qū)度速割切板厚t/mm圖8-12鋼板切割速度與材料厚度關(guān)系切割速度對切逢寬度、熱影響區(qū)大小和切口粗糙度有較大影響。如圖8-13所示，隨著切割速度增加，切縫頂部寬度和熱影響區(qū)大小都單一減小，而切縫底部則都存在最小值。切割速度與切口粗糙度關(guān)系如圖8-14所示，速度過低時，切口寬度增大，切口波浪形比較嚴(yán)重，切割面變得粗糙。隨著切割速度的加快，切口逐漸變窄，直至上部的切口寬度相當(dāng)于光斑直徑。此時切口呈上寬下窄的V形。繼續(xù)增加切割速度，上部切口寬度仍然減小，但下部相對變寬而形成倒V形。m役寬縫切0.4D10 40不完全切割區(qū)過燒切割區(qū)材料厚度/mm切割速度與材料厚度關(guān)系度速割切質(zhì)量滿意切割區(qū)度速割切板厚t/mm圖8-12鋼板切割速度與材料厚度關(guān)系切割速度對切逢寬度、熱影響區(qū)大小和切口粗糙度有較大影響。如圖8-13所示，隨著切割速度增加，切縫頂部寬度和熱影響區(qū)大小都單一減小，而切縫底部則都存在最小值。切割速度與切口粗糙度關(guān)系如圖8-14所示，速度過低時，切口寬度增大，切口波浪形比較嚴(yán)重，切割面變得粗糙。隨著切割速度的加快，切口逐漸變窄，直至上部的切口寬度相當(dāng)于光斑直徑。此時切口呈上寬下窄的V形。繼續(xù)增加切割速度，上部切口寬度仍然減小，但下部相對變寬而形成倒V形。m役寬縫切0.4D10 40W切割速度/mm.s-1o.en.20 20 4411 60切割速度/mm.s-1202 3 4 5 6切割速度/m.min-1oO84度糙粗口切（a）切割速度對切縫寬度的影響）切割速度對熱影響大小的影響圖8-13切割速度對切縫寬度和熱影響區(qū)的大小的影

響圖8-14切割速度對切口粗糙度總之，切割速度取決于激光的功率密度及被切割材料的性質(zhì)和厚度等。在一定的切割條件下，存在最佳的切割速度范圍。切割速度過高，切口清渣不凈；切割速度過低，則材料〒燒，切口寬度和熱影響區(qū)過大。要獲得最佳切割效果，就要保持恒定的最佳切割速度。實際切割中，激光切割頭有一定的慣量，在啟動、停止，或加工到軌跡圖形的拐角處時存在一個加速和減速的過程。對于質(zhì)量要求較高的切割，必須調(diào)整其他參數(shù)（如減小激光功率或轉(zhuǎn)換成脈沖輸出），或者在程序設(shè)計時設(shè)置輔助切割路徑，把加速或減速段放到工件以外（如圖8-15所示），避免被加工件尖角部位因熱集中而燒蝕，從而保證加工的質(zhì)量。圖8-15工件拐角處的切割編程方法焦點位置在透鏡的焦長確定后，焦點與工件表面的相對位置對激光切割的質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。對于金屬薄板（板厚6mm以內(nèi)）的切割，焦點在材料表面上下一定范圍內(nèi)都可獲得不沾渣的切割面。大多數(shù)情況下，焦點位置設(shè)置在工件表面，或稍微在工件表面以下。對于不同的激光切割機以及不同的切縫寬度和質(zhì)量要求，具體的焦點位置應(yīng)由實驗確定。有時，在切割過程中透鏡因冷卻不良而產(chǎn)生熱形變從而引起焦長的變化，或切割進行中的氣流密度梯度場造成的再聚焦作用，都會導(dǎo)致焦點位置的變化，因而帶來切割質(zhì)量的變化，這就需要在及時調(diào)整焦點位置。輔助氣體一般情況下，激光切割都需要使用輔助氣體。輔助氣體對激光切割質(zhì)量的影響來自兩個方面，一是輔助氣體的種類，一是輔助氣體的壓力。在激光切割加工中，輔助氣體的主要作用是驅(qū)除熔渣、保護透鏡不受污染、冷卻切縫鄰近區(qū)域以減小熱影響區(qū)。如果是非活性氣體，還起到排開空氣中氧氣以保護被切割材料不被氧化或過度燃燒的作用；如果是活性氣體，還起到與金屬產(chǎn)生放熱化學(xué)反應(yīng)，增加切割能量的作用。一般來說，輔助氣體與激光束同軸噴出。如何確定輔助氣體的種類，牽涉到有多少熱量附加到切割區(qū)的問題。如分別使用氧和氬作為輔助氣體切割金屬時，熱效果就會出現(xiàn)很大的不同。對大多數(shù)金屬一般采用氧助熔化切割，即使用活性氣體（主要為氧氣）。據(jù)估計，氧助切割鋼材時，來自激光的能量僅占切割總能量的30%，而70%能量來自于鐵與氧氣產(chǎn)生的放熱化學(xué)反應(yīng)。附加能量能將激光切割速度提高1/3?1/2。但對活潑金屬的氧助熔化切割，由于化學(xué)反應(yīng)太激烈，引起切割面粗糙，宜用低氧濃度輔助氣體，或直接使用空氣。如果要獲得高的切邊質(zhì)量，如切割鈦，也可使用惰性