激光切割加工基礎(chǔ)知識

1、光大激光激光切割加工基礎(chǔ)知識 編號：版本號：V1.0第 30 頁 共 30 頁激光切割基礎(chǔ)知識第一部分 激光切割的原理和功能一、激光切割的原理 激光切割是由電子放電作為供給能源，通過 He、N2、CO2 等混合氣體為激發(fā)媒介，利用反射鏡組聚焦產(chǎn)生激光光束，從而對材料進(jìn)行切割。 激光切割的過程：在數(shù)控程序的激發(fā)和驅(qū)動下，激光發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生出特定模式和類型的激光，經(jīng)過光路系統(tǒng)傳送到切割頭，并聚焦于工件表面，將金屬熔化；同時, 噴嘴從與光束平行的方向噴出輔助氣體將熔渣吹走；在由程控的伺服電機(jī)驅(qū)動下，切割頭按照預(yù)定路線運(yùn)動，從而切割出各種形狀的工件。圖1：激光切割示意圖2、 機(jī)床結(jié)構(gòu)SLCF-X15&#

2、215;40F數(shù)控激光切割機(jī)是意大利普瑞瑪（PRIMA）工業(yè)公司的主導(dǎo)機(jī)型懸臂式飛行光路結(jié)構(gòu)的激光切割機(jī)，加工板材尺寸為1500×4000毫米，配有交換工作臺。（一） 該機(jī)型的主要特點(diǎn)如下：l 懸臂式開式結(jié)構(gòu)，可從三個方向上下料，人機(jī)接近性極好，可放置超長超寬的板材。l 可移動式切割工作臺與主機(jī)分離，柔性大。可加裝焊接、切管等功能。l 精密傳動部件不在切割區(qū)域內(nèi)，防護(hù)容易，也不會由于工作臺及床身切割熱變形影響機(jī)床的精度。l 從根本上消除了電器雙邊同步鎖產(chǎn)生的誤差，避免了橫梁的扭動，使得光路穩(wěn)定，切割精度提高。l 配有高速的Z軸系統(tǒng)，同時可通過數(shù)控系統(tǒng)控制輔助氣體的壓力、流量等，大大提

3、高了加工效率。l 新型的PM400V2.0智能化編程軟件，具有蛙跳、共邊切割、優(yōu)化套排料、高效穿孔、尖角處理等功能。l 具有先進(jìn)的多腔分室除塵系統(tǒng)，比單純的抽風(fēng)系統(tǒng)除塵效果更高。 （二）機(jī)床的結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分組成：1、床身全部光路安置在機(jī)床的床身上，床身上裝有橫梁、切割頭支架和切割頭工具，通過特殊的設(shè)計，消除在加工期間由于軸的加速帶來的振動。機(jī)床底部分成幾個排氣腔室，當(dāng)切割頭位于某個排氣室上部時，閥門打開，廢氣被排出。通過支架隔架，小工件和料渣落在廢物箱內(nèi)。2、工作臺 移動式切割工作臺與主機(jī)分離，柔性大，可加裝焊接、切管等功能。配有兩張1.5米×4米的工作臺可供交換使用，當(dāng)一個工

4、作臺在進(jìn)行切割加工的同時，另一張工作臺可以同時進(jìn)行上下料操作，有效提高工作效率。兩個工作臺可通過編程或按鈕自動交換。工作臺下方配有小車收集裝置，切割的小料及金屬粉末會集中收集在小車中。 3、切割頭 是光路的最后器件，其內(nèi)置的透鏡將激光光束聚焦，標(biāo)準(zhǔn)切割頭焦距有 5 英寸和 7.5 英寸(主要用于割厚板)兩種。良好的切割質(zhì)量與噴嘴和工件的間距有關(guān)，本機(jī)切割頭使用德國PRECITEC公司生產(chǎn)的非接觸式電容傳感頭，在切割過程中可實(shí)現(xiàn)自動跟蹤與修正工件表面與噴嘴的間距，調(diào)整激光焦距與板材的相對位置，以消除因被切割板材的不平整對切割材料造成的影響。自動找準(zhǔn)材料的擺放位置（紅光指示器）。4、控制系統(tǒng) 控制

5、系統(tǒng)包括數(shù)控系統(tǒng)（集成可編程序控制器PLC）、電控柜及操作臺。PMC-1200數(shù)控系統(tǒng)由32位CPU控制單元、數(shù)字伺服單元、數(shù)字伺服電機(jī)、電纜等組成，采用全中文才做界面，10.4"彩色液晶顯示器，能實(shí)現(xiàn)機(jī)外編程計算機(jī)與機(jī)床的控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通訊（具有232接口），具有加速、突變限制；具有圖形顯示功能，可對激光器的各種狀態(tài)進(jìn)行在線和動態(tài)控制功能。5、激光控制柜 控制和檢查激光器的功能，并顯示系統(tǒng)的壓力、功率、放電電流和激光器的運(yùn)行模式。 6、激光器 采用原裝進(jìn)口德國ROFIN公司SLAB3000W型激光發(fā)生器，是目前世界先進(jìn)的RF激勵板式放電的二氧化碳激光器。其心臟是諧振腔, 激光

6、束就在這里產(chǎn)生，激光氣體是由二氧化碳氮?dú)夂獾幕旌蠚怏w，通過渦輪機(jī)使氣體沿諧振腔的軸向高速運(yùn)動，氣體在前后兩個熱交換器中冷卻，以利于高壓單元將能量傳給氣體。 7、冷卻設(shè)備 冷卻激光器、激光氣體和光路系統(tǒng)。8、除塵裝置 內(nèi)置管道及風(fēng)機(jī)，改善了工作環(huán)境。切割區(qū)域內(nèi)裝有大通徑除塵管道及大全壓的離心式除塵風(fēng)機(jī)，加之全封閉的機(jī)床床身及分段除塵裝置，具有較好的除塵效果。9、供氣系統(tǒng) 包括氣源、過濾裝置和管路。氣源含瓶裝氣和壓縮空氣（空氣壓縮機(jī)、冷干機(jī)）。 （三）設(shè)備的技術(shù)參數(shù)表1：激光切割機(jī)技術(shù)參數(shù)序號項目名稱參數(shù)單位1切割板材尺寸1500*4000mm2X軸行程4000mm3Y軸行程1500mm4Z軸行

7、程100mm5X、Y軸定位精度±0.03mm/m6X、Y軸重復(fù)定位精度±0.03mm7X、Y軸最大定位速度100m/min8切割工作臺最大載重750kg9切割碳鋼最大厚度18-20mm10切割不銹鋼最大厚度8-10mm11切割鋁板最大厚度5-6mm12真空懸臂吊最大載重500kg（4） ROFIN 3000W CO2激光發(fā)生器技術(shù)參數(shù)表2：激光器技術(shù)參數(shù)激光束特性功率范圍（W）0-3000最大功率（W）3000長時間功率穩(wěn)定性公稱功率±2%光束直徑（1/e2)（毫米）20-25光束發(fā)散（全角）（毫弧度）0.5光束端點(diǎn)穩(wěn)定性（毫弧度）0.15因子K（公稱功率）K0.

8、9偏振狀態(tài)45度線偏振光束模式00模式操作連續(xù)波、門脈沖脈沖參數(shù)脈沖重復(fù)頻率（赫茲）CW-5000最小脈沖周期（微秒）26脈沖寬度26um電、氣、冷卻電能消耗（千伏安）380V±10%，三相，50赫茲工作耗電38KVA待機(jī)耗電2.5KVA最小氣體消耗（升/小時）±2%最大功率時（氦氣65%，氮?dú)?0%，CO25%）0.1L/H冷卻能力（千瓦，環(huán)境溫度40度）35壓縮空氣壓力（巴）4環(huán)境溫度范圍（度）5-303、 切割方法 不同的材料，切割方法不一樣，主要分為熔化切割、氧化切割、氣化切割、導(dǎo)向斷裂切割等。表3：切割方法與對應(yīng)的材料序號切割方法對應(yīng)切割材料1熔化切割不銹鋼、鋁2

9、氧化切割碳鋼3氣化切割木材、碳素材料和某些塑料4導(dǎo)向斷裂切割陶瓷1、熔化切割 在激光熔化切割中，工件材料在激光束的照射下局部熔化，熔化的液態(tài)材料被氣體吹走，形成切縫，切割僅在液態(tài)下進(jìn)行，故稱為熔化切割。切割時在與激光同軸的方向供給高純度的不活潑氣體，輔助氣體僅將熔化金屬吹出切縫，不與金屬反應(yīng)。這種切割方法的激光功率密度在107W/cm2左右。l 激光光束配上高純惰性切割氣體促使熔化的材料離開割縫，而氣體本身不參于切割。l 最大切割速度隨著激光功率的增加而增加，隨著板材厚度的增加和材料熔化溫度的增加而幾乎反比例地減小。在激光功率一定的情況下，限制因數(shù)就是割縫處的氣壓和材料的熱傳導(dǎo)率。2、氧化切割

10、 與熔化切割不同，激光氧化切割使用活潑的氧氣作為輔助氣體。由于氧與已經(jīng)熾熱了的金屬材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出大量的熱，結(jié)果是材料進(jìn)一步被加熱。 l 材料表面在激光束照射下很快被加熱到燃點(diǎn)溫度，與氧氣發(fā)生激烈的燃燒反應(yīng)，放出大量熱量，在此熱量作用下，材料內(nèi)部形成充滿蒸汽的小孔，而小孔周圍被熔化的加工材料所包圍。l 燃燒物質(zhì)轉(zhuǎn)移成熔渣，控制氧和加工材料的燃燒速度，氧氣流速越高，燃燒化學(xué)反應(yīng)和去除熔渣的速度也越快。但是 ，如果氧氣速度過快，將導(dǎo)致割縫出口處的反應(yīng)產(chǎn)物即金屬氧化物的快速冷卻，對切割質(zhì)量造成不利影響。l 切割過程存在兩個熱源：激光束照射能和化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱能。據(jù)估計，切割碳鋼時，氧化反應(yīng)

11、所產(chǎn)生的熱能占切割所需能量的60%。l 在氧化切割過程中，如果氧化燃燒的速度高于激光束移動的速度，割縫將變寬且粗糙，反之，如果移動速度慢，則割縫窄而光滑。3、氣化切割 激光束焦點(diǎn)處功率密度非常高，可達(dá)106W/cm2以上，激光光能轉(zhuǎn)換成熱能，保持在極小的范圍內(nèi)，材料很快被加熱至氣化溫度，部分材料氣化為蒸汽逸去，部分材料被輔助氣體吹走，隨著激光束與材料之間的連續(xù)不斷的相對運(yùn)動，便形成寬度很窄（如0.2mm）的割縫。這種切割方法的功率密度在108W/cm2左右。一些不能熔化的材料如木材、碳素材料和某些塑料即通過這種方法進(jìn)行切割。l 激光氧化切割在加工精密模型和尖角時是不好的（有燒掉尖角的危險）?？?/p>

12、以使用脈沖模式的激光來限制熱影響。l 所用的激光功率決定切割速度。在激光功率一定的情況下，限制因數(shù)就是氧氣的供應(yīng)和材料的熱傳導(dǎo)率。4、導(dǎo)向斷裂切割    對于容易受熱破壞的脆性材料，通過激光束加熱進(jìn)行高速、可控的切斷，稱為導(dǎo)向斷裂切割。這種切割過程主要內(nèi)容是：激光束加熱脆性材料小塊區(qū)域，引起該區(qū)域大的熱梯度和嚴(yán)重的機(jī)械變形，導(dǎo)致材料形成裂縫。只要保持均衡的加熱梯度，激光束可引導(dǎo)裂縫在任何需要的方向產(chǎn)生。選擇切割方法，需考慮它們的特點(diǎn)和板件的材料，有時也要考慮切割的形狀。由于氣化相對熔化需要更多的熱量，因此激光熔化切割的速度比激光氣化切割的速度快，激光氧化切割則借助

13、氧氣與金屬的反應(yīng)熱使速度更快；同時，氧化切割的切縫寬，粗糙度高，熱影響區(qū)大因此切縫質(zhì)量相對較差，而熔化切割割縫平整，表面質(zhì)量高，氣化切割因沒有熔滴飛濺，切割質(zhì)量最好。另外，熔化切割和氣化切割可獲得無氧化切縫，對于有特殊要求的切割有重要意義。一般的材料可用氧化切割完成，如果要求表面無氧化，則須選擇熔化切割，氣化切割一般用于對尺寸精度和表面光潔度要求很高的情況，故其速度也最低。另外，切割的形狀也影響切割方法，在加工精細(xì)的工件和尖銳的角時，氧化切割可能是危險的，因為過熱會使細(xì)小部位燒損。四、運(yùn)行模式 激光器經(jīng)常運(yùn)行在連續(xù)輸出模式，為了得到最佳的切割質(zhì)量，對于給定的材料，有必要調(diào)整進(jìn)給速率，例如拐彎時

14、的加速，減速和延時。因此，在連續(xù)輸出模式下，降低功率是不夠的，必須通過變化脈沖來調(diào)整激光功率。表4：各種不同的激光運(yùn)行模式、應(yīng)用范圍和舉例 在連續(xù)模式下，激光輸出的功率是恒定的，這使得進(jìn)入板料的熱量比較均勻，它適合于一般情況下較快速的切割，一方面可以提高工作效率，另一方面也是避免熱量集中導(dǎo)致熱影響區(qū)組織惡變的需要。調(diào)制模式的激光功率是切割速度的函數(shù)，它可以通過限制在各點(diǎn)處的功率使 進(jìn)入板料的熱量保持在相當(dāng)?shù)牡退?，從而防止切縫邊緣的燒傷。由于它的控制比較復(fù)雜，因此效率不是很高，只在短時段內(nèi)使用。脈沖模式雖可細(xì)分為三種情況，實(shí)質(zhì)上只是強(qiáng)度的差別，往往根據(jù)材料的特性和結(jié)構(gòu)的精度來選擇。5、 激光切

15、割的特點(diǎn) 1、激光切割的切縫窄，工件變形小    激光束聚焦成很小的光點(diǎn)，使焦點(diǎn)處達(dá)到很高的功率密度。這時光束輸入的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被材料反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)散的部分，材料很快加熱至汽化程度，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)形成寬度很窄的切縫。切邊受熱影響很小，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汽體。碳鋼切割時利用氧作為輔助汽體與熔融金屬產(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汽體。進(jìn)入噴嘴的輔助汽體還能冷卻聚焦透鏡，防止煙

16、塵進(jìn)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)材料都可以用激光切割。在工業(yè)制造系統(tǒng)占有份量很重的金屬加工業(yè)，許多金屬材料，不管它是什么樣的硬度，都可以進(jìn)行無變形切割。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。    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)程序控制的現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件，它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用；盡管它加工速度還慢于模沖，但它沒有模具消耗，無須修理模具，還節(jié)約更換模具時間，

17、從而節(jié)省了加工費(fèi)用，降低了生產(chǎn)成本，所以從總體上考慮是更合算的。    2、激光切割是一種高能量、密度可控性好的無接觸加工    激光束聚焦后形成具有極強(qiáng)能量的很小作用點(diǎn)，把它應(yīng)用于切割有許多特點(diǎn)。首先，激光光能轉(zhuǎn)換成驚人的熱能保持在極小的區(qū)域內(nèi)，可提供：（1）狹窄的直邊割縫；（2）最小的鄰近切邊的熱影響區(qū)；（3）極小的局部變形。其次，激光束對工件不施加任何力，它是無接觸切割工具，這就意味著：（1）工件無機(jī)械變形；（2）無刀具磨損，也談不上刀具的轉(zhuǎn)換問題；（3）切割材料無須考慮它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料的硬度影響，任何硬度

18、的材料都可以切割。再次，激光束可控性強(qiáng)，并有高的適應(yīng)性和柔性，因而：（1）與自動化設(shè)備相結(jié)合很方便，容易實(shí)現(xiàn)切割過程自動化；（2）由于不存在對切割工件的限制，激光束具有無限的仿形切割能力；（3）與計算機(jī)結(jié)合，可整張板排料，節(jié)省材料。    3、激光切割具有廣泛的適應(yīng)性和靈活性    與其它常規(guī)加工方法相比，激光切割具有更大的適應(yīng)性。與其他熱切割方法相比，同樣作為熱切割過程，別的方法不能象激光束那樣作用于一個極小的區(qū)域，結(jié)果導(dǎo)致切口寬、熱影響區(qū)大和明顯的工件變形。激光能切割非金屬，而其它熱切割方法則不能。六、氣體參數(shù)的控制 在實(shí)際的激光

19、切割過程中，還要有輔助氣體的參與。輔助氣體不但可以將熔 渣及時吹走，還起到冷卻工件和清潔透鏡的作用，選用不同的輔助氣體，更能夠改變切割的速度及割縫表面質(zhì)量，對特殊金屬的切割具有重大意義。 影響氣體的參數(shù)包括氣體類型、氣體壓力和噴嘴直徑。(1) 輔助氣體類型 輔助氣體類型有氧氣、空氣、氮?dú)夂蜌鍤?。氧氣適合于厚板切割、高速切割和極薄板切割；空氣適合于鋁板、非金屬及鍍鋅鋼板的切割，在一定程度上它可以減少氧化膜且節(jié)省成本；氮?dú)庾鳛榍懈顣r的保護(hù)氣體可防氧化膜發(fā)生，防止燃燒(在板料較厚時容易發(fā)生)；氬氣用于鈦金屬切割。(2) 氣體壓力 氣體壓力分高壓和低壓兩種,根據(jù)激光機(jī)的技術(shù)參數(shù)，高壓最 大為20兆帕，

20、低壓最大為 5 兆帕。選擇壓力的依據(jù)有板料厚度、切割速度、熔化金屬的粘度和激光功率。當(dāng)料厚較大，切速較快，金屬液體的粘度較高時,可選用高一些的壓力；相反，對于薄料、慢速切割或液態(tài)粘度小的金屬，則可選擇適當(dāng)?shù)牡蛪骸９β瘦^大時適當(dāng)增加氣體壓力對冷卻周圍材料是有益的,它適用于有特殊要求的場合。不管選用怎樣的壓力，其原則都是在保證吹渣效果的前提下盡可能經(jīng)濟(jì)。(3) 噴嘴直徑 噴嘴直徑的選取與氣體壓力的選擇原則上是一樣的,但它還與切割方法有關(guān)。對于以氧氣作為輔助氣體的切割，由于金屬的燃燒，割縫較寬，要想迅速有效地吹走熔渣，得選用大直徑的噴嘴才行，對于采用脈沖切割的場合，割縫較小,不宜選用太大的噴嘴。有時

21、噴嘴大小的選擇會與壓力選擇相矛盾,在不能兩全的情況下,通過調(diào)節(jié)噴嘴與切縫的距離也能起到一定的作用。常用的噴嘴直徑是1.5和2.0的。七、材料特性與激光加工的關(guān)系 工件切割的結(jié)果可能是切縫干凈，也可能相反，切縫底部掛渣或切縫上帶有燒 痕，其中很大的一部分是由材料引起的。影響切割質(zhì)量的因素有：合金成分、材料顯微結(jié)構(gòu)、表面質(zhì)量、表面處理、反射率、熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)及沸點(diǎn)。通常合金成分影響材料的強(qiáng)度可焊性高氧化性和耐腐蝕性，所以含碳量 越高越難切割；晶粒細(xì)小切縫品質(zhì)好；如果材料表面有銹蝕，或有氧化層，熔化時因氧化層與金屬的性質(zhì)不同，使表面產(chǎn)生難熔的氧化物，也增加了熔渣，切縫會呈不規(guī)則狀；表面粗造減少了反光度

22、，提高熱效率，經(jīng)噴丸處理后切割質(zhì)量要好許多。導(dǎo)熱率低則熱量集中，效率高。因此，越是晶粒細(xì)小、表面粗糙、無銹蝕、導(dǎo)熱率低的材料越容易加工，而含碳量高、表面有鍍層或涂漆、反光率高的材料較難切割。含碳量高的金屬多屬于熔點(diǎn)比較高的金屬，由于難以熔化，增加了切穿的時間。一方面，它使得割縫加寬，表面熱影響區(qū)擴(kuò)大，造成切割質(zhì)量的不穩(wěn)定；另一方面，合金成分含量高，使液態(tài)金屬的粘度增加，使飛濺和掛渣的比率提高，加工時對激光功率、氣吹壓力的調(diào)節(jié)都提出了更高的要求。鍍層和涂漆加強(qiáng)的光的反射，使熔融因難；同時，也增加了熔渣的產(chǎn)生。八、激光切割應(yīng)注意的問題前面分析了激光切割最主要的幾個技術(shù)參數(shù)，它們決定了切割工藝的主要

23、方 面，但并不是只要把握了這就一定能加工出高質(zhì)量的產(chǎn)品，還有幾個問題是特別需 要引起注意的： 1、切速的選擇激光切割的速度最大可達(dá)200300mm/s，實(shí)際加工時往往只有最大速的 1/3 1/2，因為速度越高，伺服機(jī)構(gòu)的動態(tài)精度就越低，直接影響切割質(zhì)量。有實(shí)驗表明，切割圓孔時，切速越高，孔徑越小，加工的孔圓度就越差。只有在長邊直線切割時才可以使用最大速切割以提高效率。 2、切割的引線和尾線 在切割操作中，為了使割縫銜接良好，防止始端和終點(diǎn)燒傷，常常在切割開始和結(jié)束處各引一段過渡線，分別稱作引線和尾線。引線和尾線對工件本身是沒有用的, 因此要安排在工件范圍之外，同時注意不能將引線設(shè)置在尖角等不易

24、散熱處。引線與割縫的連接盡量采用圓弧過渡，使機(jī)器運(yùn)動平穩(wěn)并避免轉(zhuǎn)角停頓造成燒傷。 3、尖角的加工 用走圓弧加工出鈍角 如有可能，避免加工沒有圓弧的角。帶圓弧的角有下列好處：）軸運(yùn)動的動態(tài)性能好；）熱影響區(qū)小；c）產(chǎn)生的毛刺少。對于不帶圓角的邊角，可以設(shè)定的最大半徑是切縫寬度的一半。此時切割出來的邊角是沒有圓角的。 圖2：走圓弧法加工鈍角用圓孔成角法在薄板上切割尖角 當(dāng)在薄板上高速切割時，建議使用圓孔成角法切割尖角，它有下列好處：）切割尖角時，軸向變化均勻；）切角時，切速恒定；）防止了軸振動，避免毛刺生成；）尖角處的熱影響區(qū)小。 圖3：圓孔成角法加工銳角用延時法在厚板上切割尖角 切割厚板時，如果

25、還使用圓孔成角法，尖角周圍會過熱，此時應(yīng)采用參數(shù):“Critical angle ,dwell time”來切割尖角，機(jī)器運(yùn)動到尖角處，停頓特定的時間，然后繼續(xù)轉(zhuǎn)向運(yùn)動。 九、激光所用氣體 激光所用氣體包括激光器工作和保護(hù)氣體以及切割輔助氣體。 激光器工作氣體用于產(chǎn)生激光，保護(hù)氣體用于保護(hù)光學(xué)器件、驅(qū)動光閘。激光器工作氣體由氦氣、氮?dú)?、二氧化碳?xì)怏w按照一定比例混合，這個比例在工廠預(yù)定好，確保最佳性能，不要隨便調(diào)整，比例不當(dāng)，可能會造成激光系統(tǒng)的失效和高壓電源的損害。激光器所用氣體均為高純度，均在 99.999%以上.切割輔助氣體主要是 N2 或 O2，有的材料切割可以使用壓縮空氣作為切割輔助氣

26、體。N2 切割的切割面比較光亮；O2 切割的切割面由于材料被氧化而發(fā)黑。切割輔助氣體的純度越高，切割面的質(zhì)量越好。表4：切割輔助氣體氣體純度備注氮?dú)?9.5%氧氣99.5%壓縮空氣符合ISO8573-1最大顆粒尺寸：5µm最大凝聚物含量：5mg/m3最大油含量：0.1mg/m3無油空壓機(jī)+冷凍干燥機(jī)（處理量1m3/min） 30第二部分 激光切割工藝切割工藝與下述因素關(guān)系緊密：ö 激光模式ö 激光功率ö 焦點(diǎn)位置ö 噴嘴高度ö 噴嘴直徑ö 輔助氣體ö 輔助氣體純度ö 輔助氣體流量ö 輔助氣體壓力

27、ö 切割速度ö 板材材質(zhì)ö 板材表面質(zhì)量（如生銹、異物等）與切割相關(guān)的各工藝參數(shù)如下圖所示。圖4：切割工藝參數(shù)一、激光模式激光器的模式對切割影響很大，切割時要求到達(dá)鋼板表面的模式較好。這與激光器本身的模式和外光路鏡片的質(zhì)量有直接的關(guān)系。激光束橫截面上光強(qiáng)的分布情況稱為激光橫模。一般籠統(tǒng)地把橫模當(dāng)作激光模式。用符號TEMmn表示各種橫向模式。TEM表示橫向電磁波，m、n均為正整數(shù)，分別表示在x軸和y軸方向上光強(qiáng)為零的那些點(diǎn)的序數(shù)，稱為模式序數(shù)。下圖示出了幾種不同的激光束橫模的光斑。TEM00模又稱基模，其光斑中任何一點(diǎn)光強(qiáng)都不為零。若光斑在x方向上有一點(diǎn)光強(qiáng)為零，稱

28、為TEM10模；在y方向上有一點(diǎn)光強(qiáng)為零，稱為TEM01模。以此類推，模式序數(shù)m和n越大，光斑中光強(qiáng)為零的點(diǎn)的數(shù)目越多。有不同橫向模式的激光束稱為多模。圖5：模式光斑上圖中，TEM00模，稱為基模。TEM*01模，是單環(huán)模，也叫準(zhǔn)基模。為了與TEM01區(qū)分，特地加上星號*。TEM01模與TEM10模其實(shí)可視為相同的模式，因為X、Y軸原本就是人為劃分的。下面示出的是幾種模式的立體圖。圖6：TEM00模式立體圖 圖7：TEM20模式立體圖 圖8：TEM23模式立體圖圖9： 多模二、焦點(diǎn)位置焦點(diǎn)位置是一個關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)正確調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置。1. 焦點(diǎn)位置與切割面的關(guān)系焦點(diǎn)位置示意圖特征零焦距焦點(diǎn)在工件表面

29、適用于5毫米以下薄碳鋼等。（切斷面） 焦點(diǎn)在工件上表面，所以，切割光滑，下表面則不光滑。負(fù)焦距 焦點(diǎn)在工件表面下鋁材、不銹鋼等工件采用這種方式。（切斷面）焦點(diǎn)在中央，偏下部因此平滑面范圍較大，切幅比零焦距的切幅寬，切割氣體流量較大，穿孔時間較零焦距為長。正焦距焦點(diǎn)在工件表面上切割厚鋼板時采用（一般使用氧氣）。厚鋼板切斷時，切斷用氧氣的氧化作用必須從上面到底面。因厚板之故切幅要寬，這樣的設(shè)定可得較寬的切幅。切斷面和瓦斯切斷類似，可以說是用氧氣吹斷，因此斷面較粗糙。2. 焦點(diǎn)位置對切割斷面的影響表面1.5mm上表面0.5mm上表面2.5mm上3. 焦點(diǎn)尋找 焦點(diǎn)確定的方法和步驟：1） 取下噴嘴，Z

30、軸下降，距板面23mm。2） 執(zhí)行尋找焦點(diǎn)子程序1991。 （CALL 1991） 速率倍率設(shè)為100%。3） 移動Y軸到劃痕最細(xì)處。4） 計算焦點(diǎn)位置Zf 焦點(diǎn)位置為Zf=Z+Y×0.5 其中：Z當(dāng)前Z軸坐標(biāo)；Y當(dāng)前Y軸坐標(biāo)。5） 裝上噴嘴，將焦點(diǎn)微調(diào)調(diào)至刻度5。6） 手動切換到隨動。7） 調(diào)節(jié)焦點(diǎn)，使Z軸坐標(biāo)達(dá)到Zf的值，鎖緊切割頭。 此時焦點(diǎn)位于板面。三、噴嘴噴嘴形狀、噴嘴孔徑、噴嘴高度（噴嘴出口與工件表面之間的距離）等，均會影響切割的效果。圖10： 噴嘴1. 噴嘴的作用（1） 防止熔漬等雜物往上反彈，穿過噴嘴，污染聚焦鏡片。（2） 控制氣體擴(kuò)散面積及大小，從而控制切割質(zhì)量。圖

31、11：沒有噴嘴時，氣體噴出的情況圖12：有噴嘴時，氣體噴出的情況2. 噴嘴與切割品質(zhì)的關(guān)系噴嘴出口孔中心與激光束的同軸度是影響切割質(zhì)量優(yōu)劣的重要因素之一，工件越厚，影響越大。當(dāng)噴嘴發(fā)生變形或有熔漬時，將直接影響同軸度。故噴嘴應(yīng)小心保存，避免碰傷以免造成變形。噴嘴形狀和尺寸的制造精度高，安裝時應(yīng)注意方法正確。如果由于噴嘴的狀況不良，從而需要要改變切割時的各項條件，那就不如更換新的噴嘴。如果噴嘴與激光不同軸，將對切割質(zhì)量產(chǎn)生如下影響。a 對切割斷面的影響如圖所示，當(dāng)輔助氣體從噴嘴吹出時，氣量不均勻，出現(xiàn)一邊有熔漬，另一邊沒有的現(xiàn)象。對切割3mm以下薄板時，它的影響較小，切割3mm以上時，影響較嚴(yán)重

32、，有時無法切透。圖13：同軸度對切割斷面的影響b 對尖角的影響工件有尖角或角度較小時，容易產(chǎn)生過熔現(xiàn)象，厚板則可能無法切割。c 對穿孔的影響穿孔不穩(wěn)定，時間不易控制，對厚板會造成過熔，且穿透條件不易掌握。對薄板影響較小。3. 噴嘴孔與激光束同軸度的調(diào)整噴嘴孔與激光束的同軸度的調(diào)整步驟如下：（1） 在噴嘴的出口端面涂抹印泥（一般以紅色為好），將不干膠帶貼在噴嘴出口端面上。如圖所示。圖14：調(diào)整同軸步驟1（2） 用1020瓦的功率，手動打孔。（3） 取下不干膠紙，注意保持其方向，以便與噴嘴相比照。正常情況下，不干膠紙上會留下一個黑點(diǎn)，是被激光燒損的。但如果噴嘴中心偏離激光束中心過大時，將無法看到這

33、個黑點(diǎn)（激光束射到了噴嘴的壁上）。圖15：噴嘴偏離太大（4） 如果打出的中心點(diǎn)時大時小，請注意條件是否一致，聚焦鏡是否松動。圖16： 聚焦鏡松動（5） 注意觀察黑點(diǎn)偏離噴嘴中心的方向，調(diào)整噴嘴位置。圖17：調(diào)整噴嘴位置，與激光束同軸4. 噴嘴孔徑孔徑大小對切割質(zhì)量和穿孔質(zhì)量有關(guān)鍵性的影響。如果噴嘴孔徑過大，切割時四處飛濺的熔化物，可能穿過噴嘴孔，從而濺污鏡片。孔徑越大，幾率越高，對聚焦鏡保護(hù)就越差，鏡片壽命也就越差。² 噴嘴孔徑的比較噴嘴孔徑氣體流速（量）熔融物去除能力小快大大慢小² 噴嘴1、1.5的差異噴嘴直徑薄板（3mm以下）厚板（3mm以上）切割功率較高，散熱時間較長

34、，切割時間亦較長1切割面較細(xì)氣體擴(kuò)散面積小，不太穩(wěn)定，基本可用1.5切割面會較粗，轉(zhuǎn)角地方易有溶漬氣體擴(kuò)散面積大，氣體流速較慢，切割時較穩(wěn)定5. 噴嘴高度的調(diào)整噴嘴高度即噴嘴出口與工件表面之間的距離。此高度設(shè)定范圍在0.5mm4.0mm之間，而切割時一般我們會設(shè)定在0.7mm1.2mm，過低會導(dǎo)致噴嘴易碰撞到工件表面，過高會降低輔助氣體的濃度和壓力，造成切割質(zhì)量下降。打孔時此高度要比切割高度略高，高度設(shè)定在3.5mm4mm,這樣有效防止打孔時所產(chǎn)生的飛濺物污染聚焦鏡。圖18：噴嘴高度圖19：電容傳感器控制盒調(diào)節(jié)EG495調(diào)節(jié)盒上帶刻度電位器，其刻度基本上代表噴嘴與板面之間的距離（0.5到10m

35、m）。比如，刻度為1.5，噴嘴與板面之間的距離為1.6mm左右。² 隨動傳感器 隨動傳感器的調(diào)整，務(wù)必按照要領(lǐng)進(jìn)行。四、切割速度切割速度直接影響切口寬度和切口表面粗糙度。不同材料的板厚，不同的切割氣體壓力，切割速度有一個最佳值，這個最佳值約為最大切割速度的80。1. 速度過快如果切割速度過快，可能造成以下后果。1) 可能無法切透，火花亂噴。2) 有些區(qū)域可以切透，但有些區(qū)域無法切透。3) 整個斷面較粗，但不產(chǎn)生溶漬。4) 切割斷面呈斜條紋路，且下半部產(chǎn)生溶漬。圖20：速度過快2. 速度太慢1) 造成過熔，切斷面較粗糙。2) 切縫變寬，尖角部位整個溶化。3) 影響切割效率。3. 確定適

36、當(dāng)?shù)那懈钏俣?#178; 從切割火花判斷進(jìn)給速度可否增快或減慢1） 火花由上往下擴(kuò)散圖21：切割速度正常2） 火花若傾斜時，則說明切割速度太快。圖22：切割速度過快3） 火花呈現(xiàn)不擴(kuò)散且少，聚集在一起，則說明速度太慢。圖23：切割速度過慢² 進(jìn)給速度適當(dāng)如圖，切割面呈現(xiàn)較平穩(wěn)線條，且下半部無熔漬產(chǎn)生。圖24：切割速度正常五、切割輔助氣體選擇切割輔助氣體的種類和壓力時，宜從以下幾方面考慮：ö 一般使用氧氣切割普通碳鋼，低壓打孔，高壓切割。ö 一般使用空氣切割非金屬，低壓和高壓的壓力可調(diào)為一樣，打孔時間設(shè)為0。ö 一般使用氮?dú)馇懈畈讳P鋼等，低壓氧氣打孔。&#

37、246; 氣體純度越高，切割質(zhì)量越好。切割低碳鋼板純度至少99.6%以上，切割12mm以上碳鋼板建議氧氣純度99.9%以上。切割不銹鋼板氮?dú)饧兌葢?yīng)達(dá)到99.6%以上。氮?dú)饧兌仍礁?，切割斷面質(zhì)量越好。如果切割用氣體純度不合要求，不但影響切割的質(zhì)量，而且會造成鏡片的污染。1、輔助氣體對切割質(zhì)量的影響（1） 氣體有助于散熱及助燃，吹掉溶漬，改善切割面品質(zhì)。（2） 氣體壓力不足時，對切割的影響a 切割面產(chǎn)生熔漬。 b 切割速度無法增快，影響效率。（3） 氣體壓力過高時，對切割質(zhì)量的影響a 氣流過大時，切割面較粗，且縫較寬。 b 氣流過大時，造成切斷部分熔化，無法形成良好切割質(zhì)量。2、輔助氣體對穿孔的影

38、響（1）氣體壓力過低時，不易穿透，時間增長。（2）氣體壓力太高時，造成穿透點(diǎn)熔化，形成大的熔化點(diǎn)。所以薄板穿孔的壓力較高，厚板則較低。3、切割有機(jī)玻璃時的輔助氣體有機(jī)玻璃屬于易燃物，為了得到透明光亮的切割面，所以選用氮?dú)饣蚩諝?，阻燃。如果選用氧氣，則切割質(zhì)量不夠好。必須在切割時根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇合適的壓力。氣體壓力越小，切割光亮度越高，產(chǎn)生的毛斷面越窄。但氣體壓力過低，造成切割速度慢，板面下出現(xiàn)火苗，影響下表面質(zhì)量。六、激光功率激光切割所需要的激光功率主要取決于切割類型以及被切割材料的性質(zhì)。汽化切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧氣切割最小。激光功率對切割厚度、切割速度和切口寬度等有很

39、大影響。一般激光功率增大，所能切割材料的厚度也增加，切割速度加快，切口寬度也有所加大。激光功率對切割過程和質(zhì)量有決定性的影響。1 功率太小無法切割圖25：功率太小2 功率過大，整個切割面熔化圖26：功率過大3 功率不足，切割后產(chǎn)生熔漬圖27：功率不足4 功率適當(dāng)，切割面良好，無熔漬圖28：功率適當(dāng)七、切割參數(shù)的總結(jié) 切割效果取決于具體的工藝參數(shù)，總結(jié)如下：輸出參數(shù)l 切割邊沿的質(zhì)量l 切口寬度輸入?yún)?shù)系統(tǒng)參數(shù)l 光路l 鏡片數(shù)量l 系統(tǒng)概念激光束參數(shù)l 強(qiáng)度l 光斑尺寸工藝參數(shù)l 每單位長度的能量l 焦點(diǎn)位置l 氣體參數(shù)l 噴嘴參數(shù)材料參數(shù)l 材料特性l 材料的表面表5：激光切割主要參數(shù)參數(shù)內(nèi)

40、 容切割速度給定激光功率密度和材料，切割速度符合一個經(jīng)驗公式，只要在閥值以上，材料的切割速度與激光功率成正比，即增加功率密度，可提高切割速度，切割速度同樣與被切割材料密度和厚度成反比，提高切割速度的因素:(1) 提高功率(500-3000w); (2)改變光束模式; (3)減小聚焦光斑大小(如采用短焦距透鏡)對金屬材料，其他工藝變量保存不變，激光切割速度可以有一個相對調(diào)節(jié)范圍而仍能保持較滿意的切割質(zhì)量，這種調(diào)節(jié)范圍在切割薄金屬時顯得比較寬。焦點(diǎn)位置 激光束聚光后光斑大小與透鏡焦長成正比，光束經(jīng)短焦長透鏡聚焦后光斑尺寸很小，焦點(diǎn)處功率密度很高，對材料切割很有利，但它的不利之外是焦深很短，調(diào)節(jié)余量

41、很小，一般比較適用于高速切割薄材，對于厚工件，由于長焦長透鏡有較寬焦深，只要具有足夠功率密度，用來對它切割比較合適，由于焦點(diǎn)處功率密度最高，在大多數(shù)情況下，切割時，焦點(diǎn)位置剛處于工件表面，或稍在工件表面之下，確保焦點(diǎn)與工件相對位置恒定是獲得穩(wěn)定的切割質(zhì)量的重要條件，有時透鏡工作中因冷卻不善而受熱從而引起焦長變化，這就需及時調(diào)整焦點(diǎn)位置。輔助氣體輔助氣體與激光光束同軸噴處，保護(hù)透鏡免受污染并吹走切割區(qū)底部溶渣，對非金屬和部分金屬材料，使用壓縮空氣或惰性氣體，清除溶化和蒸發(fā)材料，同時抑制切割區(qū)過度燃燒。輔助氣體氣壓大多數(shù)金屬激光切割則使用活性氣體（氧氣），形成與灼熱金屬發(fā)生氧化放熱反應(yīng)，這部分附加

42、熱量可提高切割速度1/31/2當(dāng)高速切割薄板材時，需要較高的氣體壓力防止切口背面沾渣，當(dāng)材料厚度或切割速度較慢時，氣體壓力可以適當(dāng)?shù)慕档?。激光輸出功率激光功率大小和模式好壞都會對切割發(fā)生重要的影響，實(shí)際操作時，常常設(shè)置最大功率以獲得高的切割速度或用以切割較厚的材料。上表顯示了可能影響切割效果的參數(shù)的大部分因素，下表列出了切割參數(shù)的典型值，它們并不適用于具體的個案，但可用其作為參考，以找出正確的啟動參數(shù)。表6：DC030不銹鋼切割參數(shù)典型值材料厚度(mm)焦距(inch)焦點(diǎn)位(mm)激光器功率(W)切割速度(m/min)氣體壓強(qiáng)N2(bar)噴嘴直徑(mm)噴嘴距板面距離(mm)15-0.5300028101.50.525-130008101.50.535-230004.75151.50.547.5-330003.817.520.757.5-430002.22020.7610-530002202.20.7812.5/15-630001.32030.71015-630000.552