激光切割技術(shù)論文

1、摘 要激光切割是用激光精密切割金屬、陶瓷、紙張的一種技術(shù)，可大大減少加工時(shí)間，降低加工成本，提高工件質(zhì)量。由于它具備精密制造、柔性切割、異型加工、一次成形、速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以在工業(yè)生產(chǎn)中解決了許多常規(guī)方法無(wú)法解決的難題。本文主要講述了激光切割的原理、應(yīng)用、發(fā)展歷程以及國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀。并闡述了國(guó)外先進(jìn)YAG固體激光切割機(jī)、光纖激光切割機(jī)和CO2激光切割機(jī)的參數(shù)特性。深入了解了激光切割機(jī)。通過(guò)對(duì)激光切割機(jī)的深入分析，掌握了現(xiàn)階段激光切割機(jī)的前沿和發(fā)展水平，提高了學(xué)習(xí)機(jī)械工程前沿的能力。關(guān)鍵詞：激光切割技術(shù)、應(yīng)用、優(yōu)缺點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀A(yù)BSTRACTLaser cutting is a techn

2、ology that uses a laser to cut precise patterns in most all types of materials such as metal, ceramic, paper and so on. It can greatly reduce the processing time, reduce the processing cost and improve the quality.Because it has precision manufacturing, flexible cutting, the heterogeneous type proce

3、ssing, once shaping, speed and higher efficiency, so in industrial production in solving many conventional method can not solve the problem.This essay mainly talks about.the principles, applications, development process and the status of the overseas development of laser cutting,and also describes t

4、he advanced YAG solid-state laser cutting machine, laser cutting machine parameters and characteristics of the fiber CO2 laser cutting machine,to develop a greater understanding of the laser cutting machine.Through in-depth analysis of the laser cutting machine, we can master the level and the curre

5、nt development of cutting-edge laser cutting machine,and improve the learning ability of mechanical engineering frontier.Keywords: Laser cutting technology; Application; Advantages and Disadvantages; Development situation 目 錄摘 要IABSTRACTII一激光切割的簡(jiǎn)介11.1 定義11.2 類(lèi)型11.3 應(yīng)用31.4 激光切割的發(fā)展41.5 激光切割發(fā)展歷史5二激光切割的

6、工作原理及特性82.1 激光切割機(jī)的組成和工作原理82.1 激光切割機(jī)的特性9三國(guó)外研究現(xiàn)狀113.1 國(guó)外總體發(fā)展現(xiàn)狀113.2 德國(guó)通快（TRUMPF）133.2.1大功率CO2 激光器（TruFlow）133.2.2 TruFiber 系列光纖激光器153.3 瑞士百超（Bystronic）173.3.1 產(chǎn)品簡(jiǎn)介173.3.2 性能分析183.4三維激光切割機(jī)193.3.1 二維和三維激光切割的區(qū)別 193.3.2 三維激光切割203.4 其他實(shí)例21參考文獻(xiàn)23 一激光切割的簡(jiǎn)介1.1 定義 激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕

7、或達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)將工件割開(kāi)1。圖1.1 激光切割機(jī) 1.2 類(lèi)型 激光切割機(jī)可以分為三種類(lèi)型，簡(jiǎn)單地介紹一下三種激光切割機(jī)的優(yōu)點(diǎn)： （一）YAG固體激光切割機(jī)YAG固體激光切割機(jī)具有價(jià)格低、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，但能量效率低一般<3%，目前產(chǎn)品的輸出功率大多在600W以下，由于輸出能量小，主要用于打孔和點(diǎn)焊及薄板的切割。它的綠色的激光束可在脈沖或連續(xù)波的情況下應(yīng)用，具有波長(zhǎng)短、聚光性好適于精密加工特別是在脈沖下進(jìn)行孔加工最為有效，也可用于切削、焊接和光刻等。YAG固體激光切割機(jī)激光器的波長(zhǎng)不易被非金屬吸收，故不能切割非金屬材料，且YAG固體激光切割

8、機(jī)需要解決的是提高電源的穩(wěn)定性和壽命，即要研制大容量、長(zhǎng)壽命的光泵激勵(lì)光源，如采用半導(dǎo)體光泵可使能量效率大幅度地增長(zhǎng)。主要優(yōu)點(diǎn)：能切割其他激光切割機(jī)都無(wú)法切割的鋁板2，銅板以及大多數(shù)有色金屬材料，機(jī)器采購(gòu)價(jià)格便宜，使用成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單，大部分關(guān)鍵技術(shù)已被國(guó)內(nèi)企業(yè)所掌握，配件價(jià)格及維護(hù)成本低，且機(jī)器操作維護(hù)簡(jiǎn)單，對(duì)工人人員素質(zhì)要求不高。主要劣勢(shì)及缺點(diǎn)：只能切割8mm以下的材料，且切割效率相當(dāng)較低主要市場(chǎng)定位：8mm以下切割，主要針對(duì)自用型中小企業(yè)和加工要求不是特別高的大多數(shù)鈑金制造，家電制造，廚具制造，,裝飾裝潢，廣告等行業(yè)用戶(hù)，逐步取代線(xiàn)切割，數(shù)控沖床，水切割，小功率等離子等傳統(tǒng)加工設(shè)備（二）

9、光纖激光切割機(jī)光纖激光切割機(jī)由于它可以通過(guò)光纖傳輸，柔性化程度空前提高，故障點(diǎn)少，維護(hù)方便，速度奇快，所以在切割4mm以?xún)?nèi)薄板時(shí)光纖切割機(jī)有著很大的優(yōu)勢(shì)，但是受固體激光波長(zhǎng)的影響它在切割厚板時(shí)質(zhì)量較差。光纖激光器激光切割機(jī)的波長(zhǎng)為1.06um，不易被非金屬吸收，故不能切割非金屬材料。光纖激光的光電轉(zhuǎn)化率高達(dá)25%以上，在電費(fèi)消耗、配套冷卻系統(tǒng)等方面光纖激光的優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。根據(jù)國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)，激光危害等級(jí)分4級(jí)，光纖激光由于波長(zhǎng)短對(duì)人體由于是眼睛的傷害大，屬于危害最大的一級(jí)，出于安全考慮，光纖激光加工需要全封閉的環(huán)境。光纖激光切割機(jī)作為一種新興的激光技術(shù)，普及程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如CO2激光切割機(jī)。主要優(yōu)點(diǎn)

10、：光電轉(zhuǎn)換率高，電力消耗少，能切割12MM 以?xún)?nèi)的不銹鋼板，碳鋼板，是這三種機(jī)器中切割薄板速度最快的激光切割機(jī)，割縫細(xì)小，光斑質(zhì)量好，可用于精細(xì)切割主要劣勢(shì)及缺點(diǎn)：目前光纖激光器大部分核心關(guān)鍵技術(shù)都掌握在歐美等國(guó)家的一兩個(gè)生產(chǎn)廠家手中，所以大部分機(jī)器價(jià)格昂貴，大部分的機(jī)器價(jià)格在200萬(wàn)以上，小功率的也基本在100萬(wàn)元左右，且配件耗材等相關(guān)維護(hù)費(fèi)用極高，切割時(shí)由于光纖割縫很細(xì)耗氣量巨大（尤其是在氮?dú)馇懈顣r(shí)），另外光纖激光切割機(jī)很難甚至不能切割鋁板，銅板等高反射材料，且在切割厚板時(shí)速度很慢主要市場(chǎng)定位：12mm以下切割，尤其是薄板的高精密加工，主要針對(duì)對(duì)加精度及效率要求極高的廠家，估計(jì)伴隨著400

11、0W及以上激光器的出現(xiàn)，光纖激光切割機(jī)最終會(huì)取代CO2大功率激光切割機(jī)的大部分市場(chǎng)。 （三）CO2激光切割機(jī) CO2激光切割機(jī)，可以穩(wěn)定切割20mm以?xún)?nèi)的碳鋼，10mm以?xún)?nèi)的不銹鋼，8mm以下的鋁合金。CO2激光器的波長(zhǎng)為10.6um，比較容易被非金屬吸收，可以高質(zhì)量地切割木材、亞克力、PP、有機(jī)玻璃等非金屬材料，但是CO2激光的光電轉(zhuǎn)化率只有10%左右。CO2激光切割機(jī)在光束出口處裝有噴吹氧氣、壓縮空氣或惰性氣體N2的噴嘴，用以提高切割速度和切口的平整光潔。為了提高電源的穩(wěn)定性和壽命，對(duì)于CO2氣體激光要解決大功率激光器的放電穩(wěn)定性。根據(jù)國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)，激光危害等級(jí)分4級(jí)，CO2激光屬于危害最

12、小的一級(jí)。了解激光切割機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)不同的切割目的，來(lái)選擇不同的切割方法。主要優(yōu)點(diǎn)：功率大，一般功率都在2000-4000W之間，能切割25毫米以?xún)?nèi)的全尺寸不銹鋼，碳鋼等常規(guī)材料，以及4 mm以?xún)?nèi)鋁板和60MM以?xún)?nèi)的亞克力板，木質(zhì)材料板，PVC板，且在切割薄板時(shí)速度很快。另外，由于CO2激光器輸出的是連續(xù)激光，其在切割時(shí)，是這三種激光切割機(jī)中切割斷面效果最光滑最好的。主要劣勢(shì)及缺點(diǎn)：由于CO2激光器大部分核心關(guān)鍵技術(shù)都掌握在歐美廠家手中，所以大部分機(jī)器價(jià)格昂貴，大部分的機(jī)器價(jià)格在200萬(wàn)以上，且配件耗材等相關(guān)維護(hù)費(fèi)用極高，另外在實(shí)際使用用運(yùn)營(yíng)成本很高，且切割時(shí)耗氣量很大,很難甚至不能切割鋁板，

13、銅板等高反射材料主要市場(chǎng)定位：6-25毫米的中厚板切割加工，主要針對(duì)大中型企業(yè)以及部分純對(duì)外加工的激光切割加工企業(yè)，但由于其激光器維護(hù)耗損大，主機(jī)耗電量大等無(wú)法克服因素，今年來(lái)其市場(chǎng)收到固體激光切割機(jī)以及大功率激光切割機(jī)的巨大沖擊，市場(chǎng)處于明顯萎縮的狀態(tài)，估計(jì)經(jīng)過(guò)未來(lái)激光器的進(jìn)一步發(fā)展，最終CO2激光切割機(jī)將被后兩者所主簿取代。激光切割機(jī)，是上世紀(jì)末本世紀(jì)初，新興的一種板材加工機(jī)械設(shè)備。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外近20年的不斷技術(shù)更新和工藝發(fā)展，激光切割這工藝以及激光切割機(jī)設(shè)備，正被廣大板材加工企業(yè)所熟悉和接受，并以其加工效率高、加工精度高、切割斷面質(zhì)量好、可進(jìn)行三維切割加工等諸多優(yōu)勢(shì)逐步取代等離子切割、水切

14、割、火焰切割、數(shù)控沖床等傳統(tǒng)板材加工手段。經(jīng)過(guò)經(jīng)二十年的發(fā)展，根據(jù)激光發(fā)生器的不同，目前市面上激光切割機(jī)大致可分為三種：CO2激光切割機(jī)，YAG固體激光切割機(jī)，光纖激光切割機(jī)三種。1.3 應(yīng)用 大多數(shù)激光切割機(jī)都由數(shù)控程序進(jìn)行控制操作或做成切割機(jī)器人。激光切割作為一種精密的加工方法，幾乎可以切割所有的材料，包括薄金屬板的二維切割或三維切割。在汽車(chē)制造領(lǐng)域，小汽車(chē)頂窗等空間曲線(xiàn)的切割技術(shù)都已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。德國(guó)大眾汽車(chē)公司用功率為500W的激光器切割形狀復(fù)雜的車(chē)身薄板及各種曲面件。在航空航天領(lǐng)域，激光切割技術(shù)主要用于特種航空材料的切割，如鈦合金、鋁合金、鎳合金、鉻合金、不銹鋼、氧化鈹、復(fù)合材料、

15、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒、鈦合金薄壁機(jī)匣、飛機(jī)框架、鈦合金蒙皮、機(jī)翼長(zhǎng)桁、尾翼壁板、直升機(jī)主旋翼、航天飛機(jī)陶瓷隔熱瓦等。激光切割成形技術(shù)在非金屬材料領(lǐng)域也有著較為廣泛的應(yīng)用。不僅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；還能切割加工柔性材料，如布料、紙張、塑料板、橡膠等，如用激光進(jìn)行服裝剪裁，可節(jié)約衣料10%12%，提高功效3倍以上。 圖1.2 激光切割機(jī)在皮革、紙張、陶瓷、木頭、玻璃和金屬方面的應(yīng)用1.4 激光切割的發(fā)展 激光切割是激光加工行業(yè)中最量要的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù),由于具有諸多特點(diǎn),已廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)、機(jī)車(chē)車(chē)輛制造、航空、化工、輕工、電器

16、與電子、石油和冶金等工業(yè)部門(mén)3。近年來(lái)，激光切割技術(shù)發(fā)展很快，國(guó)際上每年都以2030的速度增長(zhǎng)。我國(guó)自1985年以來(lái)，更以每年25以上的速度增長(zhǎng)。由于我國(guó)激光工業(yè)基礎(chǔ)較差，激光加工技術(shù)的應(yīng)用尚不普遍，激光加工整體水平與先進(jìn)國(guó)家相比仍有較大差距，相信隨著激光加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些障礙和不足會(huì)得到解決。激光切割技術(shù)必將成為21世紀(jì)不可缺少的重要的鈑金加工手段。激光切割加工廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，加上現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)激光切割加工技術(shù)進(jìn)行不斷探入的研究，推動(dòng)著激光切割技術(shù)不斷創(chuàng)新，激光切割技術(shù)的發(fā)展方向如下： (1)伴隨著激光器向大功率發(fā)展以及采用高性能的CNC及伺服系統(tǒng),使用

17、高功率的激光切割可獲得高的加工速度,同時(shí)減小熱影響區(qū)和熱畸變; 所能夠切割的材料板厚也格進(jìn)一步地提高，高功率激光可以通過(guò)使用Q 開(kāi)關(guān)或加載脈沖波，從而使低功率激光器產(chǎn)生出高功率激光。 (2)根據(jù)激光切割工藝參數(shù)的影響情況，改進(jìn)加工工藝，如：增加輔助氣體對(duì)切割熔渣的吹力；加入造渣劑提高熔體的流動(dòng)性；增加輔助能源，并改善能量之間的耦合；以及改用吸收率更高的激光切割。 (3)激光切割將向高度自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。將CAD/CAPP/CAM4以及人工智能運(yùn)用于激光切割，研制出高度自動(dòng)化的多功能激光加工系統(tǒng)。 (4)根據(jù)加工速度自適應(yīng)地控制激光功率和激光模式或建立工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和專(zhuān)家自適應(yīng)控制系統(tǒng)使得激光

18、切割整機(jī)性能普遍提高。以數(shù)據(jù)庫(kù)為系統(tǒng)核心，面向通用化CAPP開(kāi)發(fā)工具，對(duì)激光切割工藝設(shè)計(jì)所涉及的各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立相適應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。 (5)向多功能的激光加工中心發(fā)展，將激光切割、激光焊接以及熱處理等各道工序后的質(zhì)量反饋集成在一起，充分發(fā)揮激光加工的整體優(yōu)勢(shì)。 (6)隨若Internet和WEB技術(shù)的發(fā)展，建立基于WEB的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，采用模糊推理機(jī)制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)自動(dòng)確定激光切割工藝參數(shù)，并且能夠遠(yuǎn)程異地訪問(wèn)和控別激光切割過(guò)程成了不可避免的趨勢(shì)。 (7)三維高精度大型數(shù)控激光切割機(jī)及其切割工藝技術(shù)，為了滿(mǎn)足汽車(chē)和航空等工業(yè)的立體工件切割的需要，三維激光切割機(jī)正向高效率、高精度、多功能和

19、高適應(yīng)性方向民展，激光切割機(jī)器人的應(yīng)用范圍將會(huì)愈來(lái)愈大。激光切割正向著激光切割單元FMC、無(wú)人化和自動(dòng)化方向發(fā)展。1.5 激光切割發(fā)展歷史自從1967年Sullivan和Houldcraft首先提出并實(shí)現(xiàn)用吹氧法進(jìn)行金屬的氣體激光切割以來(lái), 激光切割以其切割范圍廣、切割速度高、切縫窄、切割面粗糙度低、熱影響區(qū)小、熱畸變小、加工柔性好、可實(shí)現(xiàn)眾多復(fù)雜零件的切割5等優(yōu)點(diǎn)而成為現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中的第一大戶(hù)。在美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家, 因其汽車(chē)工業(yè)的發(fā)達(dá)而使用比例達(dá)以上。有些原子或離子的高能級(jí)或次高能級(jí)卻有較長(zhǎng)的壽命，這種壽命較長(zhǎng)的較高能級(jí)，稱(chēng)為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，而這些亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在時(shí)

20、形成激光的重要條件。某些具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，在一定外來(lái)光子能量激發(fā)的條件下，會(huì)吸收光能，使處在較高能級(jí)（亞穩(wěn)態(tài)）的原子（或粒子）數(shù)目大于處于低能級(jí)（基態(tài)）的原子數(shù)目，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，如果有一束光子照射該物體，而光子的能量恰好等于這兩個(gè)能級(jí)對(duì)應(yīng)的能量差，這時(shí)就能產(chǎn)生受激輻射，輸出大量的光能，從而產(chǎn)生激光。自然界中，能量的傳遞有三種方式：自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收。如圖1.2所示，但只有第（2）種情況才有可能產(chǎn)生激光。圖1.2 能量傳遞的三種方式激光束聚焦成很小的光點(diǎn)其最小直徑可小于 0.1mm），使焦點(diǎn)處達(dá)到很高的功率密度可超過(guò)106Wcm2)

21、。這時(shí)光束輸入（由光能轉(zhuǎn)換）的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(duì)線(xiàn)性移動(dòng)，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(méi)有工件變形。 切割過(guò)程中還添加與被切材料相適合的輔助氣體。鋼切割時(shí)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(shí)幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣。切割聚丙烯一類(lèi)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)入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導(dǎo)致鏡片過(guò)熱。激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率為5002500瓦。該功率的水平比許多家用電暖氣所需要

22、的功率還低，但是，通過(guò)透鏡和反射鏡，激光束聚集在很小的區(qū)域。能量的高度集中能夠進(jìn)行迅速局部加熱，使切割材料蒸發(fā)。此外，由于能量非常集中，所以，僅有少量熱傳到鋼材的其它部分，所造成的變形很小或沒(méi)有變形。利用激光可以非常準(zhǔn)確地切割復(fù)雜形狀的坯料，所切割的坯料不必再作進(jìn)一步的處理。     大多數(shù)有機(jī)與無(wú)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(wú)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(duì)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

23、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(huì)使材料對(duì)光束的吸收系數(shù)瞬間急劇提高）。激光切割無(wú)毛刺，皺折、精度高，優(yōu)于等離子切割。對(duì)許多機(jī)電制造行業(yè)來(lái)說(shuō)，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(méi)有模具消耗，無(wú)需修理模具，還節(jié)約更換模具時(shí)間，從而節(jié)省加工費(fèi)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(jì)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(shì)。作為層疊模具的優(yōu)先制造手段，由于不

24、需要高級(jí)模具制作工，激光切割運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用也并不昂貴，因此還能顯著地降低模具制造費(fèi)用。激光切割模具還帶來(lái)的附加好處是模具切邊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)淺硬化層（熱影響區(qū)），提高模具運(yùn)行中的耐磨性。激光切割的無(wú)接觸特點(diǎn)給圓鋸片切割成形帶來(lái)無(wú)應(yīng)力優(yōu)勢(shì)，由此提高了使用壽命。二激光切割的工作原理及特性2.1 激光切割機(jī)的組成和工作原理激光切割機(jī)組成部件包括：(1)激光電源,供給激光振蕩用的高壓電源。(2)激光振蕩器 產(chǎn)生激光的主要設(shè)備。(3)折射反射鏡 用于將激光導(dǎo)向所需要的方向。為使光束通路不發(fā)生故障，所有反射鏡都要用保護(hù)罩加以保護(hù)。(4)割炬 主要包括槍體、聚焦透鏡和輔助氣體噴嘴等零件。(5)切割工作平臺(tái) 用于安放被切

25、割工件，并能按控制程序正確而精確地進(jìn)行移動(dòng)，通常由伺機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。(6)割炬驅(qū)動(dòng)裝置 用于按照程序驅(qū)動(dòng)割炬沿X軸和Z軸方向運(yùn)動(dòng)，由伺服電動(dòng)機(jī)和絲桿等傳動(dòng)件組成。(7)數(shù)控裝置 對(duì)切割平臺(tái)和割炬的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，同時(shí)也控制激光器的輸出功率。(8)操作盤(pán) 用于控制整個(gè)切割裝置的工作過(guò)程。(9)氣瓶 包括激光工作介質(zhì)氣瓶和輔助氣瓶，用于補(bǔ)充激光振蕩的工作氣體和供給切割用輔助氣體(10)冷卻水循環(huán)裝置 用于冷卻激光振蕩器。激光器是利用電能轉(zhuǎn)換成光能的裝置，如CO2氣體激光器的轉(zhuǎn)換效率一般為20%，剩余的80%能量就變換為熱量。冷卻水把多余的熱量帶走以保持振蕩器的正常工作。(11)空氣干燥器 用于向激光振蕩

26、器和光束通路供給潔凈的干燥空氣，以保持通路和反射鏡的正常工作。激光切割原理：激光切割是由激光器所發(fā)出的水平激光束經(jīng)45°全反射鏡變?yōu)榇怪毕蛳碌募す馐蠼?jīng)透鏡聚焦，在焦點(diǎn)處聚成一極小的光斑，使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)將工件割開(kāi)。圖2.1 激光切割頭圖2.2 激光切割原理圖2.1 激光切割機(jī)的特性激光切割機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：(1)切割質(zhì)量好。由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能夠獲得較好的切割質(zhì)量。激光切割切口細(xì)窄，切縫兩邊平行并且與表面垂直，切割零件的尺寸精度可達(dá)±0.05mm6。切割表面光潔美觀

27、，表面粗糙度只有幾十微米，甚至激光切割可以作為最后一道工序，無(wú)需機(jī)械加工，零部件可直接使用。(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(wú)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(guò)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。(4)加工靈活性好，既能夠切割平面共建，又能切割立體工件?？梢詮娜我庖稽c(diǎn)。(5)使用范圍廣，能切割易碎的脆性材料，以及極軟、極硬的材料；切割淬火鋼時(shí)，可使其硬度不變。(6)激光切割的深寬比高，

28、對(duì)于非金屬可以達(dá)到100：1以上，對(duì)于金屬也可以達(dá)到20：1左右，還可以切割不穿透的盲槽。(7)切口平行度好，表面粗造度小，切口有菱角，對(duì)做沖模有利。(8)無(wú)工件磨損，易于數(shù)控或計(jì)算機(jī)控制，并可多工位操作。激光切割機(jī)的缺點(diǎn)：(1) 材料限制（包括晶體和反光材料）。(2)生產(chǎn)沖孔使花紋設(shè)計(jì)更加困難。(3)發(fā)射的激光會(huì)帶來(lái)安全隱患。(4)成本高（激光切割成本比其他切割過(guò)程成本高）。三國(guó)外研究現(xiàn)狀3.1 國(guó)外總體發(fā)展現(xiàn)狀從工業(yè)領(lǐng)域來(lái)看，金屬和非金屬的激光切割是激光加工最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，最具代表性的是應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)中，車(chē)身覆蓋件三維輪廓的激光切割有大量的應(yīng)用，據(jù)估計(jì)60的汽車(chē)零件通過(guò)激光加工來(lái)提高零件

29、質(zhì)量。美國(guó)、歐洲、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的激光切割已經(jīng)形成一個(gè)新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，工業(yè)激光器和激光切割機(jī)的銷(xiāo)售逐年增加，在全球生產(chǎn)、銷(xiāo)售用于激光加工領(lǐng)域中有超過(guò)40的激光器是做切割用途。日本是最早把激光切割加工系統(tǒng)引入汽車(chē)生成中的國(guó)家，主要應(yīng)用于大型覆蓋件的下料切邊，擋風(fēng)板的激光切割等。美國(guó)的福特和通用公司以及日本的豐田、日產(chǎn)等汽車(chē)公司，在汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)上普遍采用激光切割技術(shù)。日本在激光加工方面的研究走在世界的前列，已經(jīng)在車(chē)門(mén)制造過(guò)程中將鋼板切割，焊接和壓模成形一體化，并且取得了很大的進(jìn)展。德國(guó)巴伐利亞洲激光技術(shù)中心（BLZ）研發(fā)出鋁泡沫夾層材料（AFS）的激光切割技術(shù)7，AFS是一種卓越的汽車(chē)輕量化復(fù)

30、合材料，其芯部為鋁金屬泡沫材料，外層是兩個(gè)很薄的包覆薄板材（件），重量輕，剛性好，且強(qiáng)度高，可任意成形。AFS應(yīng)在形成泡沫和非泡沫狀態(tài)下被激光切割（加工）。自上世紀(jì)七十年代初，激光切割技術(shù)投入生產(chǎn)應(yīng)用以來(lái)，發(fā)展速度非常快，技術(shù)日趨完善。目前工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)這一技術(shù)的運(yùn)用較為廣泛。促使激光切割技術(shù)得到更多使用的主要原因是：激光切割具有熱變形小、切割精度高、易于實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)切割。通過(guò)使用改進(jìn)型的大功率激光源，使其切割速度接近了等離子切割的水平，從切割表面質(zhì)量來(lái)看，激光切割優(yōu)于等離子切割。目前，國(guó)外已研制出適用于坡口切割的激光處理器和相關(guān)的控制軟件。解決了激光坡口切割所需大量數(shù)據(jù)處理的問(wèn)題，使的在切割

31、過(guò)程中的角度、光距以及運(yùn)行速度得到了有效的控制。這樣使激光切割更具實(shí)用性。其中德國(guó)ESAB和TRUMPF公司已向市場(chǎng)推出多功能三維激光切割機(jī)。目前，國(guó)際上有代表性的激光切割機(jī)設(shè)備制造商有：德國(guó)通快TRUMPF公司，瑞士百超BYSTRONIC，意大利PRIMA，美國(guó)WHITNEY公司和日本TANAKA公司等。這些國(guó)際知名公司已陸續(xù)開(kāi)發(fā)出了大功率、大幅面、高速、飛行光路，三維立體、數(shù)控自動(dòng)的激光切割機(jī)，并且每年都在推出新的機(jī)型。隨著激光切割機(jī)的逐步普及，市場(chǎng)要求進(jìn)一步提高切割效率(高速切割)、降低待機(jī)時(shí)間(自動(dòng)上下料系統(tǒng))、擴(kuò)大應(yīng)用面(向三維立體切割、厚板、高反射材料發(fā)展)、降低運(yùn)行成本(降低電耗

32、)等。國(guó)外激光切割技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)有：1.高速度在設(shè)備的運(yùn)行速度上，目前多家企業(yè)競(jìng)相開(kāi)發(fā)高速高精度切割機(jī)，用以取代機(jī)械沖床，例如瑞士百超激光有限公司推出的BYSPEED機(jī)型，切割速度可達(dá) 40m/min，加速度為3g，可切割20 mm的不銹鋼，12mm的鋁合金和6mm的紫銅等，其電耗僅60kW，機(jī)器有效利用率可達(dá)95%，在薄板加工效率上與沖床相當(dāng)。普瑞瑪工業(yè)公司最新推出的SYNCRONO機(jī)床8則采用了一種與眾不同的全新設(shè)計(jì)理念，首次在激光切割設(shè)計(jì)中引入了并聯(lián)機(jī)床的概念，并將兩臺(tái)機(jī)床合二為一：一臺(tái)具有極高動(dòng)態(tài)性能和極輕重量的小型切割機(jī)床(切割頭)和一臺(tái)負(fù)責(zé)在大加工范圍內(nèi)移動(dòng)的大型傳統(tǒng)機(jī)床，兩者之間通

33、過(guò)數(shù)控實(shí)現(xiàn)完美的同步運(yùn)動(dòng)和最佳的加工效率優(yōu)化。由于切割頭部分的重量極輕，故能實(shí)現(xiàn)非常高的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)機(jī)床還采取了特殊的動(dòng)態(tài)平衡設(shè)計(jì)和專(zhuān)門(mén)優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)控制算法，使其在高速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)軌跡光滑且完全避免了振動(dòng)。這種設(shè)計(jì)的結(jié)果使SYNCRONO機(jī)床達(dá)到了一種超乎想象的加T效率，其切割時(shí)的加速度可達(dá)6g，一分鐘內(nèi)可以切割1000個(gè)孔，幾乎比目前市場(chǎng)上最快的切割機(jī)還要快一倍。同時(shí)其運(yùn)行成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)手，實(shí)際上，SYNCRONO正在開(kāi)創(chuàng)一個(gè)激光切割新時(shí)代。2.多自由度激光切割機(jī)廣泛地應(yīng)用到復(fù)雜曲面，工件的加工，如激光切割機(jī)器人、專(zhuān)門(mén)用于管材切割的2.5D激光切割機(jī)、3D光纖傳輸激光切割機(jī)等。以前的三維激光切

34、割機(jī)只能進(jìn)行汽車(chē)內(nèi)飾件的切割，無(wú)法加工金屬?zèng)_壓件。普瑞瑪工業(yè)公司創(chuàng)造性地將電容式傳感器集成到三維激光切割設(shè)備中，使機(jī)床可以自動(dòng)適應(yīng)沖壓件彈性變形造成的誤差，從而使三維激光切割技術(shù)真正成為汽車(chē)車(chē)身加工的一種精密、靈活的加工手段，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航天航空工業(yè)、工程機(jī)械、模具、健身器材、鈑金加工等制造領(lǐng)域。3.大幅面大厚板目前，國(guó)際上出現(xiàn)了“精密造船”的概念，美國(guó)、歐盟、日本、韓國(guó)等圍家和地區(qū)的船舶制造普遍采用高功率激光切割技術(shù)。目前國(guó)外主流大幅面激光切割機(jī)一般采取機(jī)載激光器結(jié)構(gòu)，加工幅面為3m×25m，切割板厚可達(dá)到40mm，在船舶、艦艇等行業(yè)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。4.智能化進(jìn)一步把激光器

35、與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)以及高精度和自動(dòng)化的T件定位相結(jié)合，將自動(dòng)排料、切割工藝數(shù)據(jù)庫(kù)、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程控制集成一體9，把激光切割的功能部件與其他加工方法組合，制成如激光沖床等多功能加工機(jī)，更符合工廠復(fù)雜加工高效的需要，它兼有激光切割的多功能性和其他加工形式的高速高效的特點(diǎn)，可同時(shí)完成切割、打孔、打標(biāo)、劃線(xiàn)、成形等。3.2 德國(guó)通快（TRUMPF）德國(guó)通快是全球領(lǐng)先的激光技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的廠家之一，其生產(chǎn)的激光切割機(jī)具有大功率、多自由度、精密加工等特點(diǎn)。TRUMPF的激光技術(shù)被廣泛用于各種行業(yè)部門(mén)，包括傳動(dòng)部件和精密零件，排氣部件，傳感器和控制元件，拼焊板，管材和型材等。德國(guó)通快不僅創(chuàng)造了

36、起搏器和蘋(píng)果標(biāo)志，也構(gòu)建了太陽(yáng)能電池，切支架微觀結(jié)構(gòu)和鉆小孔中的多氯聯(lián)苯。無(wú)論是金屬，塑料，玻璃，陶瓷，木材或紙 ，其產(chǎn)品在世界上開(kāi)辟了全新的可能性。3.2.1大功率CO2 激光器（TruFlow）CO2激光器在激光材料加工領(lǐng)域已經(jīng)被證明是工作可靠、耐負(fù)荷的激光源。如今，全世界有幾萬(wàn)臺(tái)激光源應(yīng)用在各行各業(yè)。其中大部分用作激光切割和激光焊接。CO2激光束的波長(zhǎng)在遠(yuǎn)紅外波段，即 10.6 m。如圖3.1為T(mén)ruFlow氣體激光協(xié)振器。圖3.1 TruFlow氣體激光協(xié)振器 德國(guó)TRUMPF公司的TruFlow，激光切割功率超過(guò)2KW，被廣泛的用于二維和三維鈑金部件、焊接傳動(dòng)件、排氣部件、管材以及型

37、材。TruFlow的最高功率范圍為12KW20KW，原金屬版可以可靠地進(jìn)行焊接。表3.2列出了激光器切割機(jī)參數(shù)。表3.2德國(guó)TRUMPF公司的TruFlow激光切割機(jī)參數(shù)TruFlow優(yōu)點(diǎn)：正方形，可靠，牢固。具有折疊成正方形的結(jié)構(gòu)，且氣體激光起振器所有承受熱負(fù)荷的部件始終保持溫度穩(wěn)定，從而使 TruFlow 系列激光器具備優(yōu)異的熱力學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展歷史，該系列激光器能使用戶(hù)得到隨時(shí)可重現(xiàn)、高質(zhì)量的加工結(jié)果。高效。耐磨損的氣體循環(huán)裝置采用配備電磁軸承的渦輪離心鼓風(fēng)機(jī)，與激光氣體的高頻激發(fā)裝置相結(jié)合，使激光器達(dá)到最佳的工作效率，并且盡量降低維護(hù)保養(yǎng)和運(yùn)行成本，同時(shí)確保很高的

38、機(jī)器可用性。操作簡(jiǎn)單。激光器控制系統(tǒng)具有開(kāi)放式的接口結(jié)構(gòu)，使激光器可以很方便地集成到上一級(jí)設(shè)備的控制系統(tǒng)中。在手動(dòng)操作激光器時(shí)，激光器操作軟件的交互式菜單導(dǎo)航功能可以使操作員很容易就找到所有的操作功能。圖3.3 激光切割金屬材料圖3.4 激光焊接傳動(dòng)部件3.2.2 TruFiber 系列光纖激光器由于光束質(zhì)量很高，在要求加工十分精密的領(lǐng)域，光纖激光器是人們的首選10。利用這種激光器，在您的零部件上可以生成細(xì)長(zhǎng)的焊縫和很窄的割縫，并且都具有很高的加工質(zhì)量。如圖3.5為T(mén)ruFiber光纖激光器。圖3.5 TruFiber光纖激光器光纖激光器是在幾年之前才開(kāi)始應(yīng)用在制造業(yè)。由于采用單晶結(jié)構(gòu)，光纖激

39、光器可以達(dá)到很高的光束質(zhì)量，即人們所說(shuō)的基模光束質(zhì)量。這樣就可以在工件表面達(dá)到很高的功率密度，并且相應(yīng)設(shè)計(jì)的各個(gè)系統(tǒng)以很高的加工速度運(yùn)行。因此，光纖激光器特別適于掃描焊接，而且在用戶(hù)要求焊縫或割縫特別細(xì)時(shí)優(yōu)點(diǎn)就更為突出。光纖激光器的典型應(yīng)用領(lǐng)域包括：(1)IT業(yè)；(2)醫(yī)療器械業(yè)；(3)精密制造業(yè)/精密機(jī)械；(4)電氣設(shè)備/電子工業(yè)；(5)光伏業(yè)。圖3.6為T(mén)ruFiber光纖激光器參數(shù)。圖3.6 TruFiber光纖激光器參數(shù)圖3.7 激光切割定子片圖3.8 激光焊接手機(jī)電池3.3 瑞士百超（Bystronic）3.3.1 產(chǎn)品簡(jiǎn)介瑞士百超（Bystronic）采用兩種類(lèi)型的激光器：CO2激

40、光器和光纖激光器11。CO2激光器采用混合氣體來(lái)產(chǎn)生激光束。借助無(wú)磨損半導(dǎo)體激勵(lì)模塊產(chǎn)生激光器中蘇需要的高電壓。百超（Bystronic）使用這種板材的原因在于它與傳統(tǒng)解決方案相比更小、更高、更可靠。CO2技術(shù)廣泛適用于不同材料及不同板厚的加工。圖3.9 CO2激光器光纖激光器是激光切割領(lǐng)域的最新開(kāi)發(fā)成果。激光束在活性纖維中生成，再通過(guò)傳導(dǎo)纖維引導(dǎo)至機(jī)床的切割頭。光纖激光器比 CO激光器體積小得多，而且在相同供電條件下產(chǎn)生的功率多一倍。光纖激光切割設(shè)備主要適用于較薄或中等厚度板材的加工，同時(shí)也可用于切割有色金屬 (紫銅和黃銅)。圖3.10 光纖激光器激光束被切割頭中的透鏡聚焦后，通過(guò)一個(gè)割嘴被

41、引導(dǎo)至工件上。同時(shí)，切割氣體也從這個(gè)割嘴噴出。根據(jù)不同的應(yīng)用可分別使用氧氣、氮?dú)饣驂嚎s空氣作為切割氣體。圖3.11 切割氣體3.3.2 性能分析瑞士百超（Bystronic）CO2激光器和光纖激光器性能分析：(1)最高速度為：169m/min(2)最大厚板：25mm.(3)最大幅面：12mX2.5m.3.4三維激光切割機(jī)3.3.1 二維和三維激光切割的區(qū)別 (1)重力影響的不同。在采用同軸噴嘴和加工頭始終與工件表面垂直的條件下, 對(duì)平面激光切割而言,重力方向始終與輔助氣體噴射壓力的方向一致；對(duì)三維激光切割而言,重力方向存在與輔助氣體噴射壓力方向不一致的情況,即重力方向與噴射

42、壓力成一定的夾角,這樣一來(lái),熔池內(nèi)的流體平衡不再全靠通常的所謂體積浮力腳來(lái)維持, 而是靠自由邊界形變產(chǎn)生的表面張力維持。圖3.12 重力方向?qū)ΧS和三維激光切割影響的示意圖（a）平面切割情況；（b）三維切割情況（假設(shè)工件不運(yùn)動(dòng)，切割頭運(yùn)動(dòng)）(2)工件散熱情況不盡相同12。對(duì)于圖3.4所示的二維及三維待切割工件而言,工件散熱情況見(jiàn)圖中箭頭所示。不同的散熱狀況勢(shì)必造成切割件幾何形狀、切口附近組織、熱影響區(qū)大小等的不同。圖3.13 二維平面激光切割和三維空間切割的散熱情況比較（a）平面直線(xiàn)激光切割；（b）平面曲線(xiàn)激光切割；（c）空間曲面切割(3)切割工藝技巧不盡相同。例如對(duì)圖所示的二維及三

43、維待切割工件而言, 前者需空走一段距離才能實(shí)現(xiàn)拐角優(yōu)質(zhì)激光切割后者的實(shí)現(xiàn)需不停地調(diào)整激光切割頭姿勢(shì),以保證激光切割頭始終與工件表面垂直,從而獲得優(yōu)良的切割質(zhì)量。圖3.14 激光二維平面切割和三維空間曲面切割的工藝技巧（a） 激光切割平面直角工件；（b）激光切割三維空間曲面工件3.3.2 三維激光切割三維激光切割是利用工業(yè)機(jī)器人靈活和快速的動(dòng)作性能，根據(jù)用戶(hù)切割加工工件尺寸的大小不同，可以選擇將機(jī)器人進(jìn)行正裝或者倒裝對(duì)不同產(chǎn)品、不同軌跡進(jìn)行示教編程或離線(xiàn)編程，機(jī)器人的第六軸裝載光纖激光切割頭對(duì)不規(guī)則工件進(jìn)行三維切割13；光纖激光切割頭上配備隨動(dòng)裝置和光路傳輸裝置，利用光纖將激光傳輸?shù)角懈铑^上，再利用聚焦系統(tǒng)進(jìn)行聚焦，針對(duì)不同厚度的板材開(kāi)發(fā)出多套聚焦系統(tǒng)對(duì)多種三維金屬板材進(jìn)行多方位的切割，滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。三維激光切割機(jī)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)輪船、機(jī)械制造、電梯制造、廣告制作、家用電器制造、醫(yī)療器械、五金、裝飾、金屬對(duì)外加工服務(wù)等各種制造行業(yè)。圖3.15 恒爾泰三維激光切割機(jī)3.4 其他實(shí)例除此之外，激光切割還用于打標(biāo)、醫(yī)療設(shè)備、焊接等，如圖3.16與圖3.17 所示。圖3.16 激光切割用于無(wú)縫標(biāo)記圖3.17 激光切割用于醫(yī)療設(shè)備參考文獻(xiàn)1姜楠. 激光切割技