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65mn钢板激光切割技术及工艺分析

  激光切割技术广泛应用于65mn钢板和非钢板材料的加工,可以大大减少加工时间,降低加工成本,提高工件质量。现代激光已经成为人们幻想和追求的“利剑”。整个系统由控制系统、运动系统、光学系统、水冷系统、排烟送风保护系统等组成。采用最先进的数控方式,实现激光多轴联动等能量切割,不受速度影响,同时支持DXP、PLT、CNC等图形格式,加强界面图形渲染处理能力;采用性能优越的进口伺服电机和传动导向结构,实现高速下良好的运动精度。

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  激光切割是利用激光聚焦产生的高功率密度能量实现的。在计算机的控制下,激光通过脉冲放电,输出受控的重复高频脉冲激光,形成一定频率和脉冲宽度的光束。脉冲激光束经光路透射和反射,通过聚焦透镜组聚焦在被加工物体表面,形成细小的高能量密度光斑,该光斑位于被加工表面附近,使被加工材料在高温下瞬间熔化或气化。每一个高能激光脉冲都会在瞬间在物体表面溅射出一个小洞。在计算机的控制下,激光加工头和被加工材料根据预先绘制的图形进行连续的相对运动和打点,从而将物体加工成所需的形状。切割时,从切割头喷出一股与光束同轴的气流,熔化或汽化的材料从切口底部吹出(注:如果吹出的气体与被切割材料发生热效应反应,这种反应会为切割提供额外的能量;气流还冷却切割表面,降低热影响区,并确保聚焦镜不受污染)。与传统的65mn钢板加工方法相比,激光切割具有切割质量高(切口宽度窄,热影响区,切口小且光滑)、切割速度快、灵活性高(可任意切割任意形状)、材料适应性广等优点。

  主要流程如下:

  1.汽化切割。

  在高功率密度激光束的加热下,材料表面温度上升到沸点温度的速度如此之快,以至于可以避免因热传导而熔化,于是一部分材料蒸发成蒸汽消失,一部分材料被辅助气流以射流的形式从狭缝底部吹走。一些不可熔化的材料,如木材、碳材料和一些塑料,通过这种汽化切割方法被切割和形成。

  在汽化切割过程中,蒸汽带走熔化的颗粒和与之一起被冲走的碎屑,形成孔洞。在汽化过程中,大约40%的物质消失在蒸汽中,而60%的物质以液滴的形式被气流驱走。

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  2.融化切割。

  当入射激光束的功率密度超过一定值时,激光束照射点的材料内部开始蒸发,形成孔洞。一旦这个小孔形成,它将作为黑体吸收所有入射光束能量。小孔被熔融的65mn钢板的壁包围,然后孔周围的熔融材料被与光束同轴的辅助气流带走。随着工件的移动,小孔在切割方向上同步移动以形成切割缝。激光束继续沿着接缝的前边缘照射,熔融材料被连续地或脉动地从接缝吹走。

  3.氧化、熔化、切割。

  熔化切割一般用惰性气体。如果用氧气或其他活性气体代替,材料会在激光束的照射下被点燃,与氧气反应产生另一种热源,称为氧化熔化切割。具体描述如下:

  (1)材料表面在激光束的照射下迅速加热到点火温度,然后与氧气发生激烈的燃烧反应,放出大量的热量。在这种热量的作用下,在材料中形成了一个充满蒸汽的小孔,小孔的外围被熔化的65mn钢板墙所包围。

  (2)燃烧物质向炉渣的转移控制着氧气和65mn钢板的燃烧速度,氧气通过炉渣扩散到达点火前沿的速度对燃烧速度也有很大影响。氧气流量越高,燃烧化学反应和除渣越快。当然,氧气流速越高越好,因为流速过高会导致狭缝出口处的反应产物即65mn钢板的氧化物快速冷却,也不利于切割质量。

  (3)显然,氧化熔化切割过程中有两个热源,即激光照射能和氧气与65mn钢板发生化学反应产生的热能。据估计,切割钢材时,氧化反应释放的热量约占切割所需总能量的60%。

  显然,与惰性气体相比,使用氧气作为辅助气体可以获得更高的切割速度。

  (4)在双热源氧化熔化切割过程中,如果氧气的燃烧速度高于激光束的移动速度,则狭缝显得较宽且粗糙。如果激光束的移动速度比氧气的燃烧速度快,狭缝就窄而平滑。

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  4.控制断裂切割。

  对于易受热损伤的脆性材料,采用激光束加热进行高速可控切割,称为可控断裂切割。这种切割工艺的主要内容是激光束加热脆性材料的小区域,在该区域产生较大的热梯度和严重的机械变形,导致材料产生裂纹。只要保持均匀的加热梯度,激光束就可以在任何期望的方向上引导裂纹。

  需要注意的是,这种可控断裂切割不适合切割锐角和转角切口。切割超大闭合形状不易成功。快速控制断裂切削速度,不需要太高的功率,否则会造成工件表面熔化,破坏狭缝边缘。主要控制参数是激光功率和光斑尺寸。

  总结:

  激光切割机是激光加工65mn钢板行业最重要的应用技术,占激光加工行业的70%以上。可见,激光切割机技术将会给钣金加工技术带来一场革命。与其他切割方法相比,激光切割最大的区别是切割速度快、精度高、适应性强。激光可以切割碳钢、不锈钢、铝、铜、木材、有机玻璃、陶瓷、橡胶、塑料、应时玻璃等65mn钢板和非65mn钢板。激光切割机还具有切割缝细、热影响区小、切割表面质量好、切割时无噪音、切割时易于自动化控制等优点。

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