激光切割技術(shù)概述

1、激光切割技術(shù)概述激光束聚焦成很小的光點其最小直徑可小于0.1mm）,使焦點處達(dá)到很高的功率密度可超過106W/ cm2）。這時光束輸入（由光能轉(zhuǎn)換）的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被 材料反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)散部分，材料很快加熱至汽化濕度，蒸發(fā)形成孔洞。隨著 光束與材料相對線性移動，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄（如0.1mm左右）的切縫。 切邊熱影響很小，基本沒有工件變形。 切割過程中還添加與被切材料相適合的 輔助氣體。鋼切割時得用氧作為輔助氣體與溶融金屬產(chǎn)生放熱化學(xué)反應(yīng)氧化材 料，同時幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣。切割聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣，棉、紙 等易燃材料切割使用惰性氣體。進(jìn)入噴嘴的輔助氣體還能冷卻聚焦透鏡，防止 煙塵進(jìn)

2、入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導(dǎo)致鏡片過熱。大多數(shù)有機(jī)與無機(jī)都可以用激光切割。在工業(yè)制造占有分量很重的金屬加工 業(yè)，許多金屬材料，不管它具有什么樣的硬度，都可進(jìn)形無變形切割（目前使 用最先進(jìn)的激光切割系統(tǒng)可切割工業(yè)用鋼的厚度已可接近20mm）。當(dāng)然，對高反射率材料，如金、銀、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導(dǎo)體，因此激光切割 很困難，甚至不能切割（某些難切割材料可使用脈沖波激光束進(jìn)行切割，由于 極高的脈沖波峰值功率，會使材料對光束的吸收系數(shù)瞬間急劇提高） 。激光切割無毛刺，皺折、精度高，優(yōu)于等離子切割。對許多機(jī)電制造行業(yè)來 說，由于微機(jī)程序的現(xiàn)代化激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件 （工 件圖紙也可

3、修改），它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用；盡管它加工速度慢 于模沖，但它沒有模具消耗，無需修理模具，還節(jié)約更換模具時間，從而節(jié)省 加工費用，降低產(chǎn)品成本，所以從總體上講在經(jīng)濟(jì)上更為合算。另一方面，從如何使模具適應(yīng)工件設(shè)計尺寸和形狀變化角度看，激光切割也可發(fā)揮其精確、重現(xiàn)性好的優(yōu)勢。作為層疊模具的優(yōu)先制造手段，由于不需要高級模具制作工，激光切割運轉(zhuǎn)費用也并不昂貴，因此還能顯著地降低模具制造費用。激光切割模具還帶來的附加好處是模具切邊會產(chǎn)生一個淺硬化層（熱 影響區(qū)），提高模具運行中的耐磨性。激光切割的無接觸特點給圓鋸片切割成形 帶來無應(yīng)力優(yōu)勢，由此提高了使用壽命。常用工程材料的激光切割1.金屬材

4、料的激光切割 雖然幾乎所有的金屬材料在室溫對紅外波能量有很高的反射率，但發(fā)射處于遠(yuǎn)紅外波段1.064um光束的燈泵浦ND:YAG激光器及10.6卩mCO激光器還是成功的應(yīng)用于許多金屬的激光切割實踐2.非金屬材料的激光切割10.6卩波長的C02激光束很容易被非金屬材料吸收，導(dǎo)熱性不好和低的蒸發(fā)溫度又使吸收的光束幾乎整個輸入材料內(nèi)部，并在 光斑照射處瞬間汽化，形成起始孔洞，進(jìn)入切割過程的良性循環(huán)。CO2 激光切割工業(yè)應(yīng)用及其關(guān)鍵技術(shù)一、引言CO2激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料，并使激光束與材料沿一定軌跡作 相對運動，從而形成一

5、定形狀的切縫。從二十世紀(jì)七十年代以來隨著 CO2 激光 器及數(shù)控技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，目前已成為工業(yè)上板材切割的一種先進(jìn)的加 工方法。在五、六十年代作為板材下料切割的主要方法中：對于中厚板采用氧 乙炔火焰切割；對于薄板采用剪床下料，成形復(fù)雜零件大批量的采用沖壓，單 件的采用振動剪。七十年代后，為了改善和提高火焰切割的切口質(zhì)量，又推廣 了氧乙烷精密火焰切割和等離子切割。為了減少大型沖壓模具的制造周期，又 發(fā)展了數(shù)控步?jīng)_與電加工技術(shù)。各種切割下料方法都有其有缺點，在工業(yè)生產(chǎn) 中有一定的適用范圍。CO2 激光切割技術(shù)比其他方法的明顯優(yōu)點是：(1) 切割質(zhì)量好。切口寬度窄(一般為0.1-0.5mm)、

6、精度高(一般孔中心距誤差0.1-0.4mm,輪廓 尺寸誤差 0.1-0.5mm)、切口表面粗 糙度好(一般 Ra為12.5-25卩m)切縫一般不需要再加工即可焊接。(2) 切割速度快。例如采用2KW 激光功率, 8mm 厚的碳鋼切割速度為1.6m/min; 2mm厚的不銹鋼切割速度為3.5m/min，熱影響區(qū)小，變形極小。(3) 清潔、安全、無污染。大大改善了操作人員的工作環(huán)境。當(dāng)然就精度和切 口表面粗糙度而言, CO2 激光切割不可能超過電加工；就切割厚度而言難以達(dá) 到火焰和等離子切割的水平。但是就以上顯著的優(yōu)點足以證明： CO2 激光切割 已經(jīng)和正在取代一部分傳統(tǒng)的切割工藝方法,特別是各種

7、非金屬材料的切割。 它是發(fā)展迅速,應(yīng)用日益廣泛的一種先進(jìn)加工方法。九十年代以來,由于我國社會主義市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,企業(yè)間競爭激烈,每個 企業(yè)必須根據(jù)自身條件正確選擇某些先進(jìn)制造技術(shù)以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效 率。因此 CO2 激光切割技術(shù)在我國獲得了較快的發(fā)展。二、C02激光切割的工業(yè)應(yīng)用世界第一臺 CO2 激光切割機(jī)是二十世紀(jì)七十年代的誕生的。三十多年來，由 于應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大， CO2 激光切割機(jī)不斷改進(jìn)，目前國際國內(nèi)已有多家企 業(yè)從事生產(chǎn)各種 CO2 激光切割機(jī)以滿足市場的需求，有二維平板切割機(jī)、三維 空間曲線切割機(jī)、管子切割機(jī)等。國外知名企業(yè)有德國 Trumpf 公司、意大利 Prima

8、公司、瑞士 Bystronic 公司、日本 Amada 公司、 MAZAK 公司、 NTC 公司、澳 大利亞 HG Laser Lab 公司等。目前國內(nèi)能提供平板切割機(jī)的企業(yè)有上海團(tuán)結(jié)普 瑞瑪公司、沈陽普瑞瑪公司、濟(jì)南捷邁公司、武漢楚天公司等。根據(jù)美國激光 工業(yè)應(yīng)用權(quán)威雜志 “Industrial Laser Solution年”度20報0告0統(tǒng)計： 1999年全世界共銷售的激光切割系統(tǒng)（主要是CO2激光切割系統(tǒng)）為3325臺，共11.74億美元。 據(jù)不完全統(tǒng)計我國目前每年生產(chǎn) CO2激光切割機(jī)近100臺，共1.5億元人民幣。 雖然激光切割的發(fā)展趨勢較快，但應(yīng)用水平與發(fā)達(dá)國家相比差距較大。至

9、2003 年我國已在工業(yè)生產(chǎn)中使用的 CO2激光切割系統(tǒng)累計已達(dá)500臺左右，約占全 世界正運行系統(tǒng)總量的 1.5%。CO2 激光切割系統(tǒng)的購置著主要是兩類單位：一類是大中型制造企業(yè)，這些 企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品中有大量板材需要下料、切料，并且具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)實 力；另一類單位是加工站（國外稱Job Shop，加工站是專門對外承接激光加工業(yè) 務(wù)的，自身無主導(dǎo)產(chǎn)品。它的存在一方面可滿足一些中小企業(yè)加工的需要；一 方面在初期對推廣應(yīng)用激光切割技術(shù)起到宣傳示范的作用。 1999 年美國全國共 有激光加工站 2700家，其中 51%從事激光切割工作。八十年代我國激光加工站 主要從事激光熱處理工作，九十年代

10、后，激光切割及攻站逐步增加。在此基礎(chǔ) 上隨著我國大中型企業(yè)體制改革的深入和經(jīng)濟(jì)實力的增強(qiáng)，越來越多的企業(yè)將 采用 CO2 激光切割技術(shù)。從目前國內(nèi)應(yīng)用情況分析，C02激光切割廣泛應(yīng)用于12mm厚的低碳鋼板、 6mm 厚的不銹鋼板及 20mm 厚的非金屬材料。對于三維空間曲線的切割，在 汽車、航空工業(yè)中也開始獲得了應(yīng)用。目前適合采用CO2 激光切割的產(chǎn)品大體上可歸納為三類：第一類：從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度不宜制造模具的金屬鈑金件， 特別是輪廓形狀復(fù)雜， 批量不大，一般厚度 12mm 的低碳鋼、 6mm 厚的不銹鋼，以節(jié)省制造模具的 成本與周期。已采用的典型產(chǎn)品有：自動電梯結(jié)構(gòu)件、升降電梯面板、機(jī)床及 糧食

11、機(jī)械外罩、各種電氣柜、開關(guān)柜、紡織機(jī)械零件、工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件、大電 機(jī)硅鋼片等。第二類：裝飾、廣告、服務(wù)行業(yè)用的不銹鋼（一般厚度3mm）或非金屬材料（一 般厚度20mm）的圖案、標(biāo)記、字體等。如藝術(shù)照相冊的圖案，公司、單位、賓 館、商場的標(biāo)記，車站、碼頭、公共場所的中英文字體。第三類：要求均勻切縫的特殊零件。最廣泛應(yīng)用的典型零件是包裝印刷行業(yè) 用的模切版，它要求在 20mm 厚的木模板上切出縫寬為 0.70.8mm 的槽，然后 在槽中鑲嵌刀片。使用時裝在模切機(jī)上，切下各種已印刷好圖形的包裝盒。國 內(nèi)近年來應(yīng)用的一個新領(lǐng)域是石油篩縫管。為了擋住泥沙進(jìn)入抽油泵，在壁厚 為 69mm 的合金鋼管上切出

12、 0.3m m，切割技術(shù)難度大，已有不少單位投入生產(chǎn)。國外除上述應(yīng)用外，還在不斷擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。1)用三維激光切割系統(tǒng)或配置工業(yè)機(jī)器人，切割空間曲線，開發(fā)各種三維切割軟件，以加快從畫圖到切割零件的過程。(2) 為了提高生產(chǎn)效率，研究開發(fā)各種專用切割系統(tǒng)，材料輸送系統(tǒng)，直線電 機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)等，目前切割系統(tǒng)的切割速度已超過100m/min。(3) 為擴(kuò)展工程機(jī)械、造船工業(yè)等的應(yīng)用，切割低碳鋼厚度已超過30mm,并特別注意研究用氮氣切割低碳鋼的工藝技術(shù)，以提高切割厚板的切口質(zhì)量。因 此在我國擴(kuò)大 CO2 激光切割的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,解決新的應(yīng)用中一些技術(shù)難題仍 然是工程技術(shù)人員的重要課題。三、CO2 激光

13、切割的關(guān)鍵技術(shù)激光束的參數(shù)、機(jī)器與數(shù)控系統(tǒng)的性能和精度都直接影響激光切割的效率和 質(zhì)量。特別是對于切割精度較高或厚度較大的零件 ,必須掌握和解決以下幾項關(guān) 鍵技術(shù)：1、焦點位置控制技術(shù)：激光切割的優(yōu)點之一是光束的能量密度高，一般10W/cm2。由于能量密度與4/ n d成正比,所以焦點光斑直徑盡可能的小，以便產(chǎn)生一窄的切縫；同時焦點光 斑直徑還和透鏡的焦深成正比。聚焦透鏡焦深越小,焦點光斑直徑就越小。但切割有飛濺 ,透鏡離工件太近容易將透鏡損壞 ,因此一般大功率 CO2 激光切割工業(yè) 應(yīng)用中廣泛采用5 7.5 ？?(127190mm)的焦距。實 際焦點光斑直徑 在0.10.4mm 之間。對于高

14、質(zhì)量的切割 ,有效焦深還和透鏡直徑及被切材料有關(guān)。例如用5的透鏡切碳鋼，焦深為焦距的+2%范圍內(nèi)，即5mm左右。因此控制焦點 相對于被切材料表面的位置十分重要。顧慮到切割質(zhì)量、切割速度等因素原則 上6mm的金屬材料，焦點在表面上；6mm的碳鋼，焦點在表面之上；6mm的 不銹鋼 ,焦點在表面之下。具體尺寸由實驗確定。在工業(yè)生產(chǎn)中確定焦點位置的簡便方法有三種：（1）打印法：使切割頭從上往下運動 ,在塑料板上進(jìn)行激光束打印 ,打印直徑 最小處為焦點。（2） 斜板法：用和垂直軸成一角度斜放的塑料板使其水平拉動,尋找激光束 的最小處為焦點。（3）藍(lán)色火花法：去掉噴嘴 ,吹空氣 ,將脈沖激光打在不銹鋼板上

15、 ,使切割頭從 上往下運動 ,直至藍(lán)色火花最大處為焦點。對于飛行光路的切割機(jī) ,由于光束發(fā)散角 ,切割近端和遠(yuǎn)端時光程長短不同 ,聚 焦前的光束尺寸有一定差別。入射光束的直徑越大 ,焦點光斑的直徑越小。為了 減少因聚焦前光束尺寸變化帶來的焦點光斑尺寸的變化 ,國內(nèi)外激光切割系統(tǒng)的 制造商提供了一些專用的裝置供用戶選用：（1）平行光管。這是一種常用的方法，即在CO2激光器的輸出端加一平行光 管進(jìn)行擴(kuò)束處理 ,擴(kuò)束后的光束直徑變大 ,發(fā)散角變小 ,使在切割工作范圍內(nèi)近端 和遠(yuǎn)端聚焦前光束尺寸接近一致。2）在切割頭上增加一獨立的移動透鏡的下軸 ,它與控制噴嘴到材料表面距 離（stand off）的Z

16、軸是兩個相互獨立的部分。當(dāng)機(jī)床工作臺移動或光軸移動時 光束從近端到遠(yuǎn)端 F 軸也同時移動 ,使光束聚焦后光斑直徑在整個加工區(qū)域內(nèi)保 持一致。 （如圖 ）（ 3）控制聚焦鏡（一般為金屬反射聚焦系統(tǒng)）的水壓。若聚焦前光束尺寸變 小而使焦點光斑直徑變大時 ,自動控制水壓改變聚焦曲率使焦點光斑直徑變小。（4）飛行光路切割機(jī)上增加 x、y 方向的補償光路系統(tǒng)。即當(dāng)切割遠(yuǎn)端光程 增加時使補償光路縮短；反之當(dāng)切割近端光程減小時,使補償光路增加 ,以保持光程長度一致。2. 切割穿孔技術(shù)：任何一種熱切割技術(shù) ,除少數(shù)情況可以從板邊緣開始外 ,一般都必須在板上穿 一小孔。早先在激光沖壓復(fù)合機(jī)上是用沖頭先沖出一孔,

17、然后再用激光從小孔處開始進(jìn)行切割。對于沒有沖壓裝置的激光切割機(jī)有兩種穿孔的基本方法：（ 1）爆破穿孔： （Blast drilling）材料經(jīng)連續(xù)激光的照射后在中心形成一凹坑,然后由與激光束同軸的氧流很 快將熔融材料去除形成一孔。一般孔的大小與板厚有關(guān) ,爆破穿孔平均直徑為板 厚的一半 ,因此對較厚的板爆破穿孔孔徑較大 ,且不圓 ,不宜在要求較高的零件上 使用（如石油篩縫管） ,只能用于廢料上。此外由于穿孔所用的氧氣壓力與切割 時相同 ,飛濺較大。（2）脈沖穿孔：（ Pulse drilling ）采用高峰值功率的脈沖激光使少量材料熔化或汽化,常用空氣或氮氣作為輔助氣體 ,以減少因放熱氧化使孔

18、擴(kuò)展 ,氣體壓力較切割時的氧氣壓力小。每個脈沖 激光只產(chǎn)生小的微粒噴射 ,逐步深入 ,因此厚板穿孔時間需要幾秒鐘。一旦穿孔完 成 ,立即將輔助氣體換成氧氣進(jìn)行切割。這樣穿孔直徑較小 ,其穿孔質(zhì)量優(yōu)于爆破 穿孔。為此所使用的激光器不但應(yīng)具有較高的輸出功率；更重要的時光束的時 間和空間特性 ,因此一般橫流 CO2 激光器不能適應(yīng)激光切割的要求。 此外脈沖穿 孔還須要有較可靠的氣路控制系統(tǒng) ,以實現(xiàn)氣體種類、氣體壓力的切換及穿孔時 間的控制。在采用脈沖穿孔的情況下 ,為了獲得高質(zhì)量的切口 ,從工件靜止時的脈沖穿孔 到工件等速連續(xù)切割的過渡技術(shù)應(yīng)以重視。從理論上講通常可改變加速段的切 割條件：如焦距、

19、噴嘴位置、氣體壓力等 ,但實際上由于時間太短改變以上條件 的可能性不大。在工業(yè)生產(chǎn)中主要采用改變激光平均功率的辦法比較現(xiàn)實,具體方法有以下三種：（1）改變脈沖寬度；（2）改變脈沖頻率；（3）同時改變脈沖 寬度和頻率。實際結(jié)果表明 ,第（ 3）種效果最好。3. 噴嘴設(shè)計及氣流控制技術(shù)：激光切割鋼材時 ,氧氣和聚焦的激光束是通過噴嘴射到被切材料處,從而形成一個氣流束。對氣流的基本要求是進(jìn)入切口的氣流量要大,速度要高 ,以便足夠的氧化使切口材料充分進(jìn)行放熱反應(yīng)；同時又有足夠的動量將熔融材料噴射吹出。 因此除光束的質(zhì)量及其控制直接影響切割質(zhì)量外,噴嘴的設(shè)計及氣流的控制（如噴嘴壓力、工件在氣流中的位置等

20、）也是十分重要的因素。目前激光切割用的噴嘴采用簡單的結(jié)構(gòu) ,即一錐形孔帶端部小圓孔。通常用實驗和誤差方法進(jìn)行設(shè)計。 由于噴嘴一般用紫銅制造 ,體積較小 ,是易損零件 ,需經(jīng)常更換,因此不進(jìn)行流體力學(xué)計算與分析。在使用時從噴嘴側(cè)面通入一定壓力Pn（表壓為Pg）的氣體,稱噴嘴壓力，從噴嘴出口噴出，經(jīng)一定距離到達(dá)工件表面，其壓力 稱切割壓力Pc,最后氣體膨脹到大氣壓力Pa。研究工作表明隨著Pn的增加，氣流 流速增加,Pc也不斷增加?？捎孟铝泄接嬎悖篤=8.2d2（Pg+1）V-氣體流速 L/mind-噴嘴直徑mmPg-噴嘴壓力（表壓）bar對于不同的氣體有不同的壓力閾值 ,當(dāng)噴嘴壓力超過此值時 ,氣流為正常斜激波，氣流速從亞音速向超音速過渡。此閾值與Pn、Pa比值及氣體分子的自由度（n）兩因素有關(guān)：如氧氣、空氣的n=5,因此其閾值Pn=1bar（1.2）3.5=1.89bar。當(dāng)噴嘴壓力更高 Pn/Pa=（1+1/n）1+n/2 時（ Pn4bar） ,氣流正常斜激波封變?yōu)檎げ?, 切割壓力Pc下降,氣流速度減低，并在工件表面形成渦流，削弱了氣流去除熔融材 料的作用 ,影響了切割速度。因此采用錐孔帶端部小圓孔的噴嘴 ,其氧氣的噴嘴壓 力常在 3ba