激光切割機(jī)對(duì)板型材料的加工缺陷及改進(jìn)方案

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(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院, 上海 200093)

引 言

自1965年12月由美國公司W(wǎng)estern Electric設(shè)計(jì)并公布激光加工技術(shù)開始,激光被應(yīng)用到鉆石開孔的工業(yè)領(lǐng)域[1]。到1967年5月,Peter Houldcroft首次成功使用了300 W CO2激光器,以氧氣輔助的方式,對(duì)1 mm厚的鋼板進(jìn)行切割,標(biāo)志著激光切割機(jī)正式開始了它的歷史[2]。在20世紀(jì)70年代早期,激光切割技術(shù)常用于航空制造業(yè)來切割鈦合金。受惠于人們對(duì)激光的應(yīng)用開發(fā),激光切割機(jī)開始用于切割非金屬材料,如布料、木材。然而,受限于當(dāng)時(shí)激光切割機(jī)的功率不足,仍有部分高熔點(diǎn)、低熱導(dǎo)率的金屬無法被切割[3]。如今,市面上以CO2激光切割機(jī)為代表的激光切割設(shè)備輸出功率可達(dá)到數(shù)千瓦,可切割的材料類型及體積也得到長足發(fā)展。本文將從另一角度出發(fā),就激光切割的板材類型展開討論,探討除功率限制因素外,目前民用激光切割機(jī)的使用限制。

1 激光切割原理及特性

激光切割技術(shù)利用聚焦后的高能激光束對(duì)工件表面進(jìn)行輻照,使得輻照區(qū)的材料迅速熔化、汽化或分解,同時(shí)借助同軸高壓輔助氣體吹走殘?jiān)?形成切縫。激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制斷裂四類[4]。

激光汽化切割是在極短的時(shí)間內(nèi)使用激光加熱并達(dá)到材料的沸點(diǎn),使材料快速汽化,形成高速噴射的蒸氣產(chǎn)生切口,常用于木材、紡織品、熱固性塑料等非金屬材料。

激光熔化切割是用激光加熱使金屬材料熔化,同時(shí)使用不活潑氣體(如Ar、He、N2)沖刷熔化液形成切口,常用于不易氧化的材料或活性金屬的切割,如不銹鋼、鈦、鋁及其合金等。

激光氧氣切割是以激光為熱源,伴以氧氣等活性氣體,使板材本身發(fā)生劇烈氧化反應(yīng),局部放出大量熱以達(dá)到切割效果,主要用于碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。

激光劃片與控制斷裂是使用激光束加熱脆性材料,引起受熱區(qū)域大的熱梯度和嚴(yán)重的機(jī)械變形,輔以適當(dāng)外力導(dǎo)致材料斷裂分離,常用于容易受熱破壞的脆性材料,如硅晶片、玻璃、陶瓷等[5]。

四種技術(shù)均屬于典型的熱切割技術(shù),這一特性也是激光切割對(duì)板材選擇的主要限制因素。

2 加工缺陷的判定指標(biāo)

對(duì)于常規(guī)板材而言,激光切割具有精度高、熱影響區(qū)小、切割表面平滑光潔的特點(diǎn)。據(jù)此特點(diǎn),本文在討論特定板材是否適用于激光切割時(shí),使用的質(zhì)量指標(biāo)如下[6-7]。

1) 切縫寬度。常規(guī)板材的切縫在0.1～1.0 mm范圍內(nèi),假如板材上、下表面的平均切縫距離遠(yuǎn)大于正常范圍的最大寬度1.0 mm,則視為存在加工缺陷。

2) 熱影響區(qū)的寬度。常規(guī)板材在切口附近應(yīng)無明顯物理或化學(xué)性質(zhì)變化,假若板材在切口1 mm以外區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)嶙冃巍⒆匀嫉痊F(xiàn)象即可視為存在加工缺陷。

3) 切口斷面的波紋。在使用激光對(duì)板材進(jìn)行直線切割時(shí),若出現(xiàn)熔渣在切口中的流動(dòng)或熔渣黏附切口,將導(dǎo)致切口處紋理不整齊,若取樣所得紋理粗糙度Rz(輪廓最大高度)在1 mm以內(nèi)則視為平滑,若大于1 mm則視為存在加工缺陷。

4) 材料對(duì)激光切割機(jī)是否有負(fù)面影響?；诎宀念愋偷亩鄻有?個(gè)別材料可反作用于激光切割機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和光學(xué)結(jié)構(gòu)。若材料對(duì)切割機(jī)具有腐蝕、損壞等負(fù)面影響,則視為存在加工缺陷。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探討激光切割機(jī)對(duì)個(gè)別板材的適用性,實(shí)驗(yàn)使用Trotec Speedy 400 CO2激光切割雕刻機(jī),其輸入功率為1.4 kW,最大輸出功率為120 W,最大移動(dòng)速度為355 cm/s,移動(dòng)加速度可達(dá)重力加速度的4倍,定位精度達(dá)5 μm,其控制軟件Trotec Job Control的一般參數(shù)設(shè)置如圖1所示。

圖1 Trotec Job Control參數(shù)設(shè)置界面Fig.1 Setting panel of Trotec Job Control

此激光切割機(jī)標(biāo)稱可加工材料包括木材、紙板、金屬、石材、紡織品、皮革、玻璃、橡膠、塑料等大類。但在實(shí)際應(yīng)用中,個(gè)別板材并無明確是否可使用激光切割,實(shí)際使用后出現(xiàn)切割質(zhì)量不佳、材料損毀等現(xiàn)象。從市面上盡可能全面地購來各類板材并進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)其中不適用于激光切割的板材進(jìn)行分析歸納。

如圖1所示,該激光切割機(jī)具有切割和雕刻兩個(gè)功能。對(duì)某一特定板材進(jìn)行切割時(shí),影響切割質(zhì)量的主要參數(shù)有板材厚度(Thickness)、激光功率(Power)、移動(dòng)速度(Speed)及激光脈沖頻率(PPI)。厚度即板材厚度,激光功率為最大輸出功率120 W的0～100%,激動(dòng)速度為最大移動(dòng)速度355 cm/s的0～100%,激光脈沖頻率取值1 000～60 000 Hz。

實(shí)驗(yàn)步驟如下。

1) 為確保在此激光切割機(jī)額定功率下,能對(duì)板材進(jìn)行有效的切割分離,同時(shí)方便切面數(shù)據(jù)觀察測(cè)量,高熔點(diǎn)板材選用0.5 mm左右的厚度,低熔點(diǎn)材料選用3～10 mm的厚度。

2) 激光束移動(dòng)速度恒定為1.775 cm/s(即最大速度355 cm/s的0.50%),激光脈沖頻率恒定為10 000 Hz,對(duì)每種板材從20%功率開始逐步提高激光器功率,每次提升的幅度為最大功率的20%,直到達(dá)到恰好可分離板材的效果,到100%為止。

3) 為確保板材以外變量所帶來的不確定性[8],方便后續(xù)測(cè)量操作,對(duì)所有板材的切割保持同一離焦量,使用同一鏡片,同一切割路徑(實(shí)驗(yàn)中為一橫跨整塊板材的直線)。實(shí)驗(yàn)切割示意圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)切割示意圖Fig.2 Experimental diagram of laser cutting

4) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的切面紋理、切縫寬度及板材表面的熱影響區(qū)大小,結(jié)合前文切割質(zhì)量的指標(biāo),判斷被切割材料對(duì)激光切割的適用性。實(shí)驗(yàn)中的材料按金屬、木材、塑料進(jìn)行分類,由于板材類型數(shù)量繁多,實(shí)驗(yàn)僅抽取其中具有代表性的主流材料,包括6061鋁板0.5 mm、304不銹鋼板0.5 mm、T2紫銅板0.5 mm、椴木實(shí)木板5 mm、綠色環(huán)氧板3 mm、電木板3 mm、白色聚氯乙烯(PVC)塑料板3 mm、白色尼龍板(PA66)5 mm、透明聚碳酸酯(PC)塑料板3 mm、透明亞克力板(PMMA)3 mm、白色ABS板6 mm、白色高密度聚乙烯板(HDPE)5 mm、聚苯乙烯(EPS)泡沫板10 mm。

5) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷實(shí)驗(yàn)材料是否存在加工缺陷,突出分析存在缺陷的材料及引起加工缺陷的原因。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,按照前文加工缺陷的判定指標(biāo)對(duì)材料進(jìn)行分類,整理得表1。

3.3 加工缺陷

1) 殘留物問題。如切割PVC板時(shí)伴有小簇火焰,釋放出少量白色煙霧,并在隔離罩上形成一層霧狀液化層,結(jié)束切割后激光器前置透鏡蒙上類似殘留物。分析:PVC的玻璃化溫度為77～90 ℃,在170 ℃左右開始分解,對(duì)光和熱的穩(wěn)定性差,在100 ℃以上或經(jīng)長時(shí)間陽光曝曬,先在240～340 ℃時(shí)燃燒分解出氯化氫(HCl)氣體和含有雙鍵的二烯烴,然后在400～470 ℃發(fā)生碳的燃燒,其主要反應(yīng)為[9]

(CH2-CHCl)n+2.5nO2=2nCO2+nH2O+nHCl

結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,PVC在激光照射下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生了具有強(qiáng)腐蝕性的HCl,這會(huì)對(duì)激光切割機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕效果。

2) 材料高透明度問題。如切割PC工程塑料時(shí),在實(shí)驗(yàn)過程中,使用了最大功率板材仍無法被切割,后來使用最大功率并減小激光移動(dòng)速度至3.55 mm/s時(shí)才可進(jìn)行切割,過程中產(chǎn)生少量白煙。分析:PC板具有質(zhì)輕、耐高溫、隔熱、難燃、抗老化等優(yōu)點(diǎn)。PC以其獨(dú)特的高透光率、高折射率、高抗沖性、尺寸穩(wěn)定性及易加工成型等特點(diǎn),在光學(xué)透鏡領(lǐng)域占有重要一席,如作為激光器的透鏡材料[10]。實(shí)驗(yàn)中,由于該材料的高透光性,激光的能量不能有效地聚集到板材表面;同時(shí),不同于陶瓷、玻璃,由于該材料的高抗沖性,激光在材料內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力無法使材料斷裂。因此,激光切割機(jī)難以對(duì)此類高透光性、高機(jī)械強(qiáng)度的板材進(jìn)行有效加工。即便可用,使用激光切割的前提是板材本身厚度有限,實(shí)際上其能效比機(jī)械切割方法低。具有相似缺陷的有亞克力板(PMMA)。

3) 材料易熔問題。如切割A(yù)BS塑料時(shí),在切口處并未使廢料汽化排出,而是熔化后形成黏稠液體。有一定概率出現(xiàn)明火,但會(huì)自行熄滅,火焰呈黃色,有黑煙。熔體冷卻后有一定概率重新黏合到切口處,使斷裂的板材再次愈合。受熔體附著影響,切口不均勻,呈波浪狀。分析:ABS屬于無定形聚合物,無明顯熔點(diǎn);熔體黏度較高,流動(dòng)性差,耐候性較差,紫外線可使之變色;熱變形溫度為70～107 ℃。由于ABS與其他材料的結(jié)合性好,常用于表面印刷、涂層和鍍層處理[10]。因此,不難解釋在ABS板材融化后再次填補(bǔ)板材斷面使之重新黏結(jié)的現(xiàn)象。具有相似缺陷的有HDPE(高密度聚乙烯)和PA(尼龍)。

4) 材料易燃問題。如切割EPS泡沫板時(shí),板材極易被點(diǎn)燃,伴以大量黑煙,切口附近板材損壞嚴(yán)重,并形成液滴滴落在廢料盆上,切割強(qiáng)制終止。冷卻后,板材切口處形成堅(jiān)硬黑色覆蓋層,與滴落的廢料性質(zhì)相同。分析:實(shí)驗(yàn)用到的是EPS,屬于聚苯乙烯(PS)材料的一種,是由聚苯乙烯樹脂加入發(fā)泡劑,同時(shí)加熱進(jìn)行軟化,產(chǎn)生氣體,形成的一種硬質(zhì)閉孔結(jié)構(gòu)的泡沫塑料。PS的熱變形溫度為70～80 ℃,脆化溫度為-30 ℃,PS在高真空和330～380 ℃下劇烈降解[10]。實(shí)驗(yàn)中板材燃燒并脫落的黑色鵝卵石狀反應(yīng)產(chǎn)物,即為劇烈燃燒與降解的結(jié)果。與EPS同屬PS的還有高抗沖聚苯乙烯(HIPS)及間規(guī)聚苯乙烯(SPS),預(yù)計(jì)同樣不適用于激光切割。

4 改進(jìn)方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可將存在加工缺陷的原因歸納為兩種:一是材料本身的熱穩(wěn)定性低與激光熱切割的原理之間的矛盾,主要出現(xiàn)在高分子聚合材料上,具體表現(xiàn)為熱變形、受熱燃燒以及受熱分解;二是材料本身的高透光率等光學(xué)性能與激光原理之間的矛盾,具體表現(xiàn)為激光輸出功率大但能效低。

4.1 針對(duì)高分子材料的改進(jìn)方案

針對(duì)易燃、易熔等問題,可從激光切割機(jī)的切割參數(shù)與輔助氣體出發(fā)。參考Caiazz等[11]的實(shí)驗(yàn),使用ROFIN-SINAR公司的CO2激光切割機(jī),功率峰值為1.5 kW,對(duì)以PP、PE、PC(非透明)為例的高分子塑料類板材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1) 使用了氮?dú)?N2)、氬氣(Ar)和壓縮空氣(CA)等氣體作為輔助氣體,并比較了不同壓強(qiáng)對(duì)切割質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)表明,此三類輔助氣體均起到板材阻燃效果且無明顯差異;使用固定切割功率1 000 W和固定切割速率2.5 m/min時(shí),輔助氣體壓強(qiáng)越大,材料的受熱熔化廢料會(huì)越少,在達(dá)到3倍大氣壓強(qiáng)后,無明顯差異。

2) 在200～1 400 W功率下的切割,功率越大,在切割速度等比例增大時(shí),受熱熔化的廢料體積越大,上下表面的切縫寬度也增大。

3) 板材的厚度與切割速度對(duì)三類材料的表面粗糙度Ra基本無影響;切割功率越大,材料的表面粗糙度也越大。

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論,對(duì)比前文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn),使用了優(yōu)化后的切割方案:選用3倍大氣壓強(qiáng)的非活性氣體作為輔助氣體;選用該機(jī)器較低功率200 W以及對(duì)應(yīng)合適切割速度進(jìn)行切割。對(duì)三種高分子材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。受限于實(shí)驗(yàn)使用的低功率激光切割機(jī)性能,無法重現(xiàn)Caiazz等的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,但數(shù)據(jù)表明,以PE、PP、 PC(非透明)為代表的易燃、易熔的高分子材料在此優(yōu)化方案的條件下,使用激光切割亦可獲得良好的切割質(zhì)量。

4.2 針對(duì)高透明度材料的改進(jìn)方案

針對(duì)高透光率材料,可參考焦俊科等[12]使用雙束CO2激光切割玻璃的做法,如圖3所示,一邊利用低功率CO2聚焦激光作為標(biāo)記光簇,使聚焦光斑照射到透明板材內(nèi)部,按照切割路徑移動(dòng),聚焦能量即可在其表面劃下一條痕跡,而后用主CO2激光平行光簇沿著劃線方向進(jìn)行掃描,即可提高主激光能量的傳遞效率,從而完成切割。

表2 優(yōu)化方案切割數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data after improvement

圖3 雙激光切割透明板材示意圖Fig.3 Schematic of cutting transparent materials by double laser beams

基于實(shí)驗(yàn)使用的Trotec激光切割機(jī),在只有唯一的激光源的前提下,設(shè)計(jì)了以透明PC板和PMMA板為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的優(yōu)化方案。

1) 先使用焦距為1.5 inch(1 inch=2.54 cm)的透鏡作為標(biāo)記光簇的出射口,使用上文實(shí)驗(yàn)中的標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)速度1.775 cm/s,功率20 W,在光斑聚焦到板材內(nèi)部后,對(duì)PC板進(jìn)行切割路徑的標(biāo)記。

2) 標(biāo)記后換焦距為4 inch的透鏡作為切割光簇的出射口,重新聚焦,在相同移動(dòng)速度1.775 cm/s下,以10 W為梯度,使用60～120 W的功率逐次沿同條件的標(biāo)記路徑進(jìn)行切割。記錄首次將板材成功切割的功率,同時(shí)記錄其切割質(zhì)量,如表3所示。

表3 優(yōu)化方案切割數(shù)據(jù)Tab.3 Experimental data after improvement

3) 為保證標(biāo)記路徑與切割路徑重合,需要保證板材在標(biāo)記與切割過程中無橫向移動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)表明,使用小功率激光聚焦標(biāo)記、大功率激光切割的這種優(yōu)化切割方案對(duì)透明板材作用明顯。對(duì)比直接使用單束大功率CO2激光切割,其切面紋理粗糙度、切縫平均寬度以及熱影響區(qū)等質(zhì)量指標(biāo)也能得到保證。且在激光切割機(jī)功率有限的前提下,提高了原本無法切割的透明材料的切割可能性,有效提高了激光切割的能效比。

5 結(jié) 論

1) 使用激光切割存在加工缺陷的板材主要以人工合成材料、高分子材料、復(fù)合材料為主。

2) 切割過程中產(chǎn)生的高溫環(huán)境,使化學(xué)穩(wěn)定性差,易燃、易熔、易變性及產(chǎn)生腐蝕性廢氣廢料的板材,存在加工缺陷。

3) 熱導(dǎo)率高、阻燃效果差的板材由于其熱效應(yīng)面積較大,通常不適用于激光切割。

4) 高透明度、高反射率的材料在功率不足時(shí)會(huì)出現(xiàn)無法切割的現(xiàn)象。

5) 對(duì)部分目前存在切割缺陷的材料已有針對(duì)性的改進(jìn)方案,但未來的激光切割機(jī)仍需要大量的創(chuàng)新設(shè)計(jì)來完善。

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