項(xiàng)目任務(wù)七激光切割加工

項(xiàng)目任務(wù)七、激光切割加工授課安排授課時(shí)數(shù)8教具需要大功率激光切割機(jī)、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(jī)生產(chǎn)廠家現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)聯(lián)系、電子資料的收集學(xué)標(biāo)教目知識(shí)目標(biāo)知識(shí)上掌握切割設(shè)備的結(jié)構(gòu)和切割工藝參數(shù)對(duì)激光切割的影響。能力目標(biāo)技能上要求利用激光切割機(jī)進(jìn)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(tuán)隊(duì)精神。教學(xué)方法教法項(xiàng)目教學(xué)法。先用4學(xué)時(shí)介紹大功率激光切割設(shè)備和切割工藝，再用4學(xué)時(shí)組織學(xué)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)參觀教學(xué)。學(xué)法直觀分析法，模擬訓(xùn)練法，現(xiàn)場(chǎng)參觀法、學(xué)練結(jié)合法，討論歸納法。學(xué)點(diǎn)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(diǎn)教難大功率激光編程切割加工。教學(xué)過程—、項(xiàng)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(jī)進(jìn)行鈑金加工是一項(xiàng)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(shí)和加工工藝方法，學(xué)會(huì)進(jìn)行工藝流程整體設(shè)計(jì)。二、 項(xiàng)目分析要熟練進(jìn)行大功率激光切割，必須具備相關(guān)知識(shí)技能如下：了解大功率激光切割機(jī)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(huì)調(diào)整激光切割工藝參數(shù)進(jìn)行激光切割加工；學(xué)會(huì)整體設(shè)計(jì)規(guī)劃激光切割工藝試驗(yàn)。三、 項(xiàng)目計(jì)劃決策利用有關(guān)圖片和現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)了解大功率激光切割機(jī)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(chǎng)教學(xué)，調(diào)整激光切割工藝參數(shù)進(jìn)行激光切割加工。四、 項(xiàng)目實(shí)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(shí)訓(xùn)基地影響。五、 項(xiàng)目實(shí)施及檢查大功率激光切割機(jī)種類及結(jié)構(gòu)廣大功率激光、

切割機(jī)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(jī)實(shí)物圖圖8-4大型激光切割機(jī)模型圖1一險(xiǎn)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(jī)&一囚剖工件臼9一割飪IQ—關(guān)焦遠(yuǎn)撓II一絲桿IL反時(shí)険"13TS去童1i—光麗菰第16—光電涯門一伺頤電動(dòng)切科劇晅柜動(dòng)袪圖8-5大型激光切割機(jī)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(hù)罩加以保護(hù)。（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(tái)：用于安放被切割工件，并能按控制程序正確而精確地進(jìn)行移動(dòng)，通常由伺機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。（6） 割炬驅(qū)動(dòng)裝置：用于按照程序驅(qū)動(dòng)割炬沿X軸和Z軸方向運(yùn)動(dòng)，由伺服電動(dòng)機(jī)和絲桿等傳動(dòng)件組成。（7） 數(shù)控裝置：對(duì)切割平臺(tái)和割炬的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，同時(shí)也控制激光器的輸出功率。（8） 操作盤：用于控制整個(gè)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(bǔ)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(jìn)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(dòng)機(jī)亠11一滾殊絲桿12—放大控制及駆動(dòng)電器13T蟲査件感器4圖8-6大型激光切割機(jī)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(jiǎn)圖實(shí)用輸出

功率/W優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)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(jiǎn)圖實(shí)用輸出

功率/W優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)高壓電熱擴(kuò)散冷卻100結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單功率小，實(shí)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(kuò)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(kuò)散冷.氣體可獲得穩(wěn)定的基模激光外形尺寸較

大，維護(hù)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(hù)保養(yǎng)

方便輸出功率的

穩(wěn)定性取決于

風(fēng)機(jī)的可靠性橫流式高壓電源Lr^_氣體流熱交換器風(fēng)機(jī)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(píng)價(jià)體系圖8-7大型激光切割機(jī)切割質(zhì)量評(píng)價(jià)體系圖(2)切割效果影響因素/機(jī)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(hù)保養(yǎng)

方便輸出功率的

穩(wěn)定性取決于

風(fēng)機(jī)的可靠性橫流式高壓電源Lr^_氣體流熱交換器風(fēng)機(jī)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(píng)價(jià)體系圖8-7大型激光切割機(jī)切割質(zhì)量評(píng)價(jià)體系圖(2)切割效果影響因素/機(jī)械系統(tǒng)牯度i恂朋響應(yīng)謹(jǐn)能\工惟臺(tái)振動(dòng)程度\光束抵動(dòng)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(jī)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(diǎn)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(jī)切割影響因素圖到企業(yè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。六、 項(xiàng)目評(píng)價(jià)及討論課堂請(qǐng)同學(xué)歸納總結(jié)并布置課下作業(yè)如下：1?簡(jiǎn)述影響激光切割效果的工藝參數(shù)。2?簡(jiǎn)述激光切割設(shè)備基本構(gòu)造。3?激光切割工藝實(shí)驗(yàn)報(bào)告。七、 項(xiàng)目必備理論知識(shí)或其它參考資料

（一）工藝參數(shù)對(duì)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(duì)激光的反射率、熔點(diǎn)、耐氧化性的不同而有所不同。對(duì)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(shí)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(shí)，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(dá)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(shí)，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(duì)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(shí)，切縫下部就顯著變粗，成為凹進(jìn)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(duì)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(duì)金屬材料，在特定工藝條件下，切割速度存在一個(gè)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(shí)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(duì)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(shí)，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(shí)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(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)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(duì)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(duì)切縫寬度的影響）切割速度對(duì)熱影響大小的影響圖8-13切割速度對(duì)切縫寬度和熱影響區(qū)的大小的影

響圖8-14切割速度對(duì)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(shí)際切割中，激光切割頭有一定的慣量，在啟動(dòng)、停止，或加工到軌跡圖形的拐角處時(shí)存在一個(gè)加速和減速的過程。對(duì)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(jì)時(shí)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(diǎn)位置在透鏡的焦長(zhǎng)確定后，焦點(diǎn)與工件表面的相對(duì)位置對(duì)激光切割的質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。對(duì)于金屬薄板（板厚6mm以內(nèi)）的切割，焦點(diǎn)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(diǎn)位置設(shè)置在工件表面，或稍微在工件表面以下。對(duì)于不同的激光切割機(jī)以及不同的切縫寬度和質(zhì)量要求，具體的焦點(diǎn)位置應(yīng)由實(shí)驗(yàn)確定。有時(shí)，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(zhǎng)的變化，或切割進(jìn)行中的氣流密度梯度場(chǎng)造成的再聚焦作用，都會(huì)導(dǎo)致焦點(diǎn)位置的變化，因而帶來切割質(zhì)量的變化，這就需要在及時(shí)調(diào)整焦點(diǎn)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(duì)激光切割質(zhì)量的影響來自兩個(gè)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(hù)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(hù)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(shí)，熱效果就會(huì)出現(xiàn)很大的不同。對(duì)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(jì)，氧助切割鋼材時(shí)，來自激光的能量?jī)H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(duì)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