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激光切割 | TRUMPF

作为无接触切割工艺的激光切割

激光切割是一种可用于切割不同材料厚度的金属与非金属材料的切割工艺。经过引导、成型与集束的激光束为此奠定基础。其击中工件后,对材料进行加热以使其熔化或蒸发。全部激光功率集中于直径通常小于半毫米的一点。若在该位置输入的热量多于因热传导而流失的热量,则激光束将完全穿透材料——切割过程开始。在其他工艺中沉重的工具会向板材施加巨大外力,而激光束是无接触地完成其工作。因此,工具本身不会磨损,工件上也不会产生变形或损坏。

激光切割的优点

激光切割过程

聚焦激光束与工件之间的交互作用构成激光切割的基础。为了使该过程安全精确地进行,需要在激光束之上和周围使用大量组件和辅助材料,通过以下图形对其进行说明。

Prinzip des Laserschneidens

  1. 聚焦镜头:透镜和光学反射镜使激光束聚焦于加工位置
  2. 激光束:激光束击中工件并对其加热,直至其熔化或蒸发。
  3. 切割气体:借助切割气体将产生的熔体从切缝吹出。气体从喷嘴与激光束同轴流出。
  4. 切割凹槽:在激光切割过程中,切边得到一个典型的凹槽模型。若切割速度较小,则这些凹槽几乎平行于激光束延伸。
  5. 熔体:激光束——成束激光——沿轮廓导向并使局部材料熔化。
  6. 切割前迹:在工件上,切缝几乎不比聚焦的激光束更宽。
  7. 喷嘴:激光束和切割气体通过切割喷嘴击中工件。
  8. 切割方向:通过使切割头或工件朝特定方向移动产生切缝。

激光切割领域的多样化应用

Lasergeschnittenes Bauteil

几乎无明显毛刺:即使材料较厚,齿轮也显示出卓越的激光切割工件质量。

CFK 部件激光切割

纤维增强合成材料是用于轻质结构的理想材料。但该材料的顽固对于几乎任何工具都是挑战——除了激光器。客户在原型制造上尤其能得益于切割工具激光器的快速和灵活成型。

BrightLine fiber 样件

从结构钢到不锈钢再到高反光材料——激光器能高质量加工所有工业常用材料。

Lasergeschnittene B-Säule

快速、无毛刺和三个维度:激光器能切割加热成型部件,如汽车产业中的 B 柱。

Musterteile aus Buntmetallen

激光熔切可以非常快速且经济地切割厚度为 0.5 毫米以上的较薄不锈钢与结构钢。

Lasergeschnittenes Hitzeschutzblech für Abgasanlagen

也可以使用激光器精确裁切三维形状的部件,如用于排气系统的隔热板。

Schneiden von sprödharten Materialien wie Glas mit dem Laser

即便是硬脆材料(如玻璃),也可以使用激光切割机光滑如镜地高速加工——无毛刺或碎片。

TruLaser 3030, Spiegelkante

BrightLine fiber 是专用加工头、流动优化喷嘴及其他技术创新的巧妙组合。优点:由于高质量的切边,在取出零件时零件不会卡住。

Lasergeschnittene Küchenmessen

与机械切割工艺相比,通过激光器可以更快加工家用刀具,而且无需精加工切边。

利用通快产品进行微加工

短脉冲和超短脉冲激光器可以快速且经济地切割极精细的微米级结构。例如钟表产业使用的激光切割指针,或医疗技术领域使用的激光切割植入物。

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所有激光切割方法一览

当切割金属与非金属材料时,在很多情况下激光器是首选通用工具。激光束可以快速灵活地切割几乎任何轮廓——无论造型多么精细而复杂或材料多薄。不同切割气体和压力会影响加工过程和结果。

火焰切割

火焰切割使用氧气作为切割气体,并以最高 6 bar 的压力将其吹入切缝。在此氧气使金属熔体燃烧和氧化。通过化学反应释放的能量可辅助激光束。火焰切割提供非常高的切割速度,可加工厚板材和结构钢。

熔割

熔切使用氮气或氩气作为切割气体。气体以 2 到 20 bar 之间的压力流过切缝,但不同于火焰切割,不与切缝内的金属表面反应。该切割方法的优点在于切边无毛刺和氧化,并且几乎无需后续工作。

升华切割

升华切割主要用于需要极高质量切边的精细切割任务。通过该工艺,激光器使材料尽量低熔蒸发。材料蒸汽在切缝内产生高压,高压将熔体向上和向下甩出。工艺气体——氮气、氩气或氦气——保护切割面免受环境影响,确保切边不被氧化。

精密激光切割

激光束精密切割利用脉冲式激光能量将单个钻孔连接起来,使其 50% 至 90% 重叠并构成切缝。通过短脉冲在工件表面产生非常高的脉冲峰值功率和极端功率密度。优点:部件受热很少,由此实现无热变形地切割极为精细的部件。

影响激光切割过程的参数

焦点位置和焦点直径

焦点位置会影响功率密度和工件上的切缝形状。焦点直径决定了缝宽以及切缝形状。

激光功率

为了超过加工阈值,即材料开始熔化的时间点,需要一定的单位面积能量。以此对其定义:单位面积能量 = 功率密度 x 在工件上的作用时间。

喷嘴直径

选择适当喷嘴对工件质量具有决定性意义。可通过喷嘴直径决定气体束的形状以及气体量。

运行方式

连续波运行或脉冲式——可通过运行方式控制激光能量是连续还是间断到达工件。

切割速度

根据具体切割任务和待加工材料确定切割速度。原则上:可用激光功率越高,就能切割得越快。此外,切割速度随材料厚度增加而降低。若速度针对相应材料设置得过高或过低,将导致粗糙度增加并形成毛刺。

偏振度

几乎所有 CO2 激光器均提供线偏振的激光。切割轮廓时,切割结果随切割方向不同而改变:若光平行于切割方向振动,则边缘变得光滑。若光垂直于切割方向振动,则产生毛刺。因此,线偏振的激光通常被转换为圆偏振光。偏振度表示在多大程度上实现所追求的圆偏振,其对于切割质量有决定性意义。固体激光器无需改变偏振;其提供与方向无关的切割结果。

切割气体和切割压力

根据切割方法使用不同的工艺气体,其以不同压力流过切缝。例如,氩气和氮气作为切割气体的优点在于不与切缝内的熔化金属反应。同时,其保护切割面免受环境影响。

  

Laserschneiden mit TRUMPF Produkten

激光切割与激光钻孔

激光器能胜任各种各样的切割任务。其中包括超薄半导体芯片上的微米级切缝以及 30 毫米厚钢板上的高质量切口。进行激光钻孔时,激光束在金属、合成材料、纸张和石材上无接触地产生从极细小到较大的孔洞。

为何激光如此与众不同?

激光有着尤为独特的属性,而这正是其能充当工具的前提条件: 它是单色的,也就是说,所有光波具有同一波长。此外,激光束中的所有光波同步振动(相干性),光波之间接近平行射出。因此,光束仅轻微扩散。激光束的功率密度较之传统光源高出许多。

为何激光适合作为加工工具?

激光束经过引导、成型与集束之后,方可成为理想的加工工具。因为相比其他工艺(即沉重工具向板材施加巨大外力),激光束 无接触地完成其工作,因此没有磨损。 激光器可以生成 非常 精确的轮廓与结构,同时仅局部加热材料。其余工件承受的热负荷极小甚至为零。使用灵活的工具可以创造各式各样的形状与轮廓—— 一切都在一台机床上完成。

激光切割与激光钻孔时究竟发生了什么?

当聚焦的激光束击中工件后,对材料进行加热以使其熔化蒸发。一旦  光束 完全穿透工件,切割过程即可开始:激光束沿部件轮廓移动并使材料连续熔化。气流通常将熔体向下从切缝吹出。切缝几乎不比聚焦的激光束本身更宽。进行激光钻孔时,具有高功率密度的短激光脉冲使材料熔化和蒸发。在此期间产生的高压将熔体从钻孔驱出。

探索不同切割工艺的多样性

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