实验指导书 - 图文

一、 工业激光加工设备认识实验

实验内容：

了解﹑认识激光加工设备的基本组成、工作原理及其特点；了解激光加工技术的意义、优点，初步掌握激光加工工艺的基本原则。

实验要求：

要求学生认真、仔细观察激光加工设备的组成及其工作关系，加深对其工作方式与原理的理解，完成实验报告。

实验说明：

激光加工的机理是：激光照射到被加工物上，其能量在短时间内高度集中，瞬间使物质熔化和气化。用这种方法进行钻孔、切割、焊接、刻蚀，解决了坚硬、极脆、难熔物质的加工困难，而且速度快、精度高、工件变形微乎其微，特别适于对精密部件和微型部件的操作，并且比一般加工工艺更为经济。此外，利用激光进行工件表面的热处理，可使其表面形成液化速凝薄层，若同时注入其他特殊性质合金元素，可以与原工件表层形成冶金结合，从而增强了表面的硬度和强度，大大提高表面的耐磨性。简而言之，激光加工就是利用激光与材料的相互作用，实现对材料的加工，比如材料去除（激光切割），材料连接（激光焊接），材料烧蚀（激光打标），??，等等。顺理成章，激光加工设备，就是利用激光对材料进行加工的设备。

以CO2激光切割机为例，介绍激光加工设备的组成，如图1-1所示： 1）产生激光的激光器（激光器是最先进的人造光源）；

2）将激光束传输到工件被加工部位的导光聚焦系统（我们权且简称为光路）及其驱动、支承的机械结构，我们统称之为主机；

3）将激光加工过程中产生的热量带走的冷却系统，我们通常叫冷水机组或水冷机；

4）为激光器提供激活介质气体和切割过程中所需要的辅助气体的供气系统； 5）为激光器和主机以及其他设备提供动力的电源； 6）协调整个系统、实现激光加工各项功能的控制系统； 7）辅助设备，如稳压电源、安全保护装置和设备环保装置等。

不言而喻，激光器是激光加工设备的核心，激光器的质量仍是制约激光加工

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技术发展的关键因素之一，因为激光器的输出参数如功率、能量的稳定性、光束质量、器件的可靠性都影响着激光加工的成品率及效益。

用于激光加工的激光器，与其他用途的激光器相比，最突出之处是输出功率大，一般是几百瓦至数千瓦；而激光治疗仪一般在几十瓦以内，多媒体演示用激光器则从数百毫瓦到几瓦。

现代用于激光加工的激光器主要有二氧化碳激光器和掺钕钇铝石榴石激光器两种。1990年，国际商用激光加工系统的产值中，CO2激光加工系统约占三分之二，YAG激光加工系统约占三分之一。

加工用激光器的输出光束应在不同程度上满足激光与物质相互作用决定的各项要求，此外，激光器还应满足对一般工业设备提出的要求。如高度稳定可靠，结构紧凑占地小，造价较低，易于维修，运行费用低等。

图1-1 激光加工设备的组成

激光加工机的主机为数控机床，包括机械运动部分（如传动部分等）、控制部分、加工头（如切割头、焊接头、热处理头等），以及一些电器元件、气动元件等。其主机结构多样，以激光切割机为例，有龙门结构、悬臂结构、L形结构。龙门结构主机又分悬挂式龙门、支承式龙门、固定式龙门。如果按激光束与工件之间的运动关系分，则可分固定光路、混合光路和飞行光路三种形式。固定光路切割机，激光束恒定在某一位置，工件做平面二维运动；混合光路激光切割机，工件在某一方向运动，光束做另一个方向的运动；飞行光路切割机，工件固定，光束在两个方向运动。图1-2所示为两种不同型号（结构形式）的激光切割主机。

CO2激光器的电光转换效率约为20%～30%，总体效率仅约10%。其余大部

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分被转化成热量。如此多的热量，如果任其积聚，将导致系统起火燃烧炸裂等危险。冷水机组向激光器提供冷却水，随时将产生的热量带走。同时，光路（特指激光器外的外光路）中的镜片，也需要冷却，保持温度恒定。

CO2激光器以CO2、N2、He为工作介质，这些气体输送到激光器内。激光加工过程中，还要用到辅助气体，通常有氧气（O2）、氮气（N2）、压缩空气，这些气体输送到被加工部位。光路中的光学器件（镜片）必须与环境大气隔离，以免遭受污染，实现的方法是将洁净的、干燥的压缩空气输送到光路中，形成对大气的正压力。因此需要供气系统完成这些工作。

控制系统是整个系统的指挥中心，为实现激光加工各项功能提供控制手段。控制系统包括数控系统、可编程控制器和激光加工工艺专家数据库等。

此外还需要一些辅助设备，安全保护装置和设备环保装置等。供给激光器的电源必须稳定，满足单相稳定度、三相不平衡度的要求。目前国内的市电并不总是能够达到上述指标，因此为保证系统的正常工作，必须安装足够容量的稳压电源。

图1-2（a）龙门式飞行光路激光切割主机

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图1-2（b）悬臂式混合光路激光切割主机

此外，对于Nd: YAG激光器，由于波长较短，可采用光纤传输激光，因此可与工业机器人联用，光纤和加工头联结在机器人臂端，结构显著简化，光路容易调整，且无需冷却，传输质量不受环境的影响。但用于切割，经光纤传输后的光束质量较差。此外，光纤有限的抗弯抗扭性能对机器人的运动也产生了一定的限制。图1-3（a）所示为常用来与Nd: YAG激光器相配合的工业机器人，图1-3（b）所示为正在进行机车零部件激光焊接的工业机器人。

（a） （b）

图1-3 与Nd: YAG激光器相配合的工业机器人

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二、 激光切割工艺实验

实验内容：

了解﹑认识激光切割技术的基本概念、机理及其特点；了解齿轮激光切割的意义、优点，初步了解激光数控机床软件编程，初步掌握切割工艺制定的基本原则与方法。

实验要求：

通过指导老师的简要讲解和实验，对激光切割技术具有一个初步的认识，开拓视野。要求学生综合运用已学过的机制工艺学﹑机械设计等相关知识，完成板材和管材激光切割的工艺设计，初步掌握激光切割工艺的设计方法。严格按操作规范进行，注意人﹑机安全。完成实验报告。

实验说明：

常用工程材料的激光切割 1. 金属材料的激光切割 1） 碳钢

低碳钢板的激光切割是激光切割技术应用最广泛的领域。通常，厚度在l0mm以内碳钢钢板可良好地进行氧助激光切割。已有的研究表明，低碳钢内磷、硫偏析区的存在会引起切边的熔蚀。所以，含杂质低的优质钢（如冷轧板），其切边质量优于热轧钢。稍高的含碳虽可略为改善碳钢的切边质量，但其热影响区也有所扩大。对于镀锌或涂塑薄钢板（板厚0.5～2.0mm），激光切割速度快，省材料，也不会引起变形。切缝附近热影响区小，近缝区锌或塑料涂层不受损坏。当板厚在1.6～6.0mm的范围内，光束焦点刚位于工件表面以及氧气压力恒定保持在1.4kgf/cm2的条件下，根据激光功率和切割速度变化。观察低碳钢切割质量可分为以下三个区：

① 精细切割区——切面光滑、无粘渣。

② 轻微粘渣区——熔渣轻微黏着，一经轻擦即可除去。 ③ 牢固粘渣区——熔渣被牢固黏着，处于不能切割的边缘。

图2-1所示为激光切割低碳钢板时切割参数间的关系。可见，随着功率密度的提高，切割速度和可切割板厚均可增加。如所切割的板厚增加，则采用较大直径的喷嘴和较低的氧气压力，以防止烧坏切口边缘。

采用CO2基模激光切割低碳钢板的最大切割厚度可以下面方法近似估算：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6rdd.html