激光加工工藝培訓(xùn)

1、CO 2 激 光 切 割 工 業(yè) 應(yīng) 用 及 其 關(guān) 鍵 技 術(shù)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(shí)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(yùn)動，從而形成一定形狀的切縫。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。一、 引言CO2激光切割是用聚焦鏡將 C02激光束聚焦在材料表面使材料熔化 同時(shí)用與激光束同軸的輔助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(yùn)動 , 從而形成一定形狀的切縫。 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

2、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(diǎn) , 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(diǎn)是：（1）切割質(zhì)量好。 切口寬度窄 （一般為 0.1-0.5mm ）、精度高 （一 般孔中心距誤差 0.1-0.4mm

3、, 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 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 ，C02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(diǎn)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)

4、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(gè)企業(yè)必須根據(jù)自身?xiàng)l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 C02激光切割技術(shù)在我國獲得了較快的發(fā)展。二、CO2激光切割的工業(yè)應(yīng)用世界第一臺C02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、CO2激光切割的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是光、機(jī)、電一體化的綜合技術(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

5、較大的零件，必須掌握和解決以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：1、焦點(diǎn)位置控制技術(shù):激光切割的優(yōu)點(diǎn)之一是光束的能量密度高般100W/cm2由于能量密度與4/ n d2成正比，所以焦點(diǎn)光斑直徑盡可能的小 ，以便產(chǎn)生一窄的 切縫；同時(shí)焦點(diǎn)光斑直徑還和透鏡的焦深成正比。聚焦透鏡焦深越小，焦點(diǎn)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C02激光切割工業(yè)應(yīng)用中廣泛采用57.5 的焦距。實(shí)際焦點(diǎn)光斑直徑在0.10.4mm之間。對于高質(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(diǎn)相對于被切材料表面的位置十分重要

6、。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(diǎn)在表面上；6mn1的碳鋼, 焦點(diǎn)在表面之上；不銹鋼，焦點(diǎn)在表面之下。具體尺寸由實(shí)驗(yàn)確定。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，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 , 因此爆

7、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）。此外由于穿孔所用的氧氣壓力與切割時(shí) 相同，飛濺較大。一般碳鋼板大于 12MM采用（ 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, 常用氧氣作為輔助氣體 ,以減少因放熱氧化使孔擴(kuò)展 ,氣體壓力較切割時(shí)的氧氣壓力小。每個(gè)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(shí)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(shí)光束的時(shí)間和空間特性 ,因此一

8、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(shí)現(xiàn)氣體種類、氣體壓力的切換及穿孔時(shí)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(shí)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?？筛淖兗?速段的切割條件：如焦距、噴嘴位置、氣體壓力等 ,但實(shí)際上由于時(shí)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(shí) ,具體方法有以下三種： （ 1 ）改變脈沖寬度（占空比） ；（2） 改變脈沖頻率； （3）同時(shí)改變脈沖寬度和頻率。實(shí)際結(jié)果表明,第（ 3）種 效果最好。切割質(zhì)量一旦開始進(jìn)行切

9、割，優(yōu)化切割效果是很有必要的。這里只提供給初學(xué)者一些基本的指導(dǎo)。判斷切割質(zhì)量依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)，但你可以很快知 道一些有關(guān)的標(biāo)記。有四個(gè)主要的影響切割質(zhì)量的因素，他們在切割的過程中可以進(jìn)行調(diào)整， 經(jīng)常重新設(shè)置參數(shù)是很正常的。1. 切割速度 用切割速度旋鈕調(diào)整機(jī)器的實(shí)際的切割速度；程序中的進(jìn) 給率大多數(shù)是根據(jù)編程者推測的近似值。通常情況下，最佳的速度依賴 于工件的厚度（原材料的厚度）。對很多材料來說，允許切割速在一定 范圍內(nèi)變化：如果速度太快，可能穿不透材料（切割產(chǎn)生的廢渣將會向 上飛濺，而不從工件的下面漏出。）如果切割速度太慢，材料會出現(xiàn)過 熱，在切割區(qū)附近將會出現(xiàn)不可接受的熱影響區(qū)。2. 聚

10、焦高度（離焦量） 聚焦高度電位計(jì)可以精細(xì)的調(diào)整切割噴嘴到工 件表面的距離。在絕大多數(shù)情況下，光束的焦點(diǎn)應(yīng)該正好在噴嘴下，剛 好在工件的表面或稍下面一點(diǎn)的位置。一般情況下，噴嘴離工件表面大 約 1 毫米。焦點(diǎn)的最好位置應(yīng)該根據(jù)透鏡的熱效應(yīng)稍微有所變動，最佳 位置還依賴于材料的性質(zhì)（如材料對激光的反射率）；所以你應(yīng)該時(shí)不 時(shí)的對這些參數(shù)作一些微小的調(diào)整。在聚焦高度做優(yōu)化后，切割的寬度 將會最小， 效率最高， 在保證切割質(zhì)量的前提下允許的切割速度也最大。3. 輔助氣體 輔助氣體的氣壓在切割的過程中，對切割的結(jié)果也有顯 著影響。輔助氣體必須要有足夠的壓力以便能夠徹底清出切割產(chǎn)生的廢渣，一般在切割厚一點(diǎn)

11、的工件時(shí)氣壓要減小一點(diǎn)。粘到工件上的殘?jiān)鼘?會破壞切割邊緣。相反，過多的氣流會引起過反應(yīng)（特別是氧氣作輔助 氣體的金屬切割），不管怎么樣都會引起浪費(fèi)。在切割塑料制品時(shí)，小 于 25 千帕斯卡的氣壓可以防止在切割邊緣結(jié)成不光澤表面。但是，必 須保證有一定的氣流帶走透鏡的熱量，以保護(hù)透鏡不被污染（被煙氣等 污染），并避免只是對材料進(jìn)行加熱或燒蝕而不切割。輔氣選擇和氣壓設(shè)定安裝與聚焦光束同軸的輔氣是用來保護(hù)透鏡和對材料去除處理起輔助作用 的。也就是說，壓縮氣體或惰性氣體是用來使非鐵性材料在切割過程中去 除熔化和蒸發(fā)材料并盡量減少燃燒發(fā)生的可能性。對大多數(shù)鐵性材料的切 割，可采用活性氣體來加速熱反應(yīng)過

12、程。此外，對氣體的不同種類還需仔細(xì)考慮其壓力大小。高速切割薄板材料時(shí) 噴氣嘴采用的典型壓力值為 150 300kPa ，用來防止在切割面背面形成熔 渣。如果材料厚度增加或是加工速度減小則吹氣壓也隨之減小。這是由于 隨著材料的增厚，功率增加，切割點(diǎn)的多余熱量增加，大量的熱伴隨著大 量的氧氣則會形成熱反應(yīng)， 造成失控或燃燒或材料中出現(xiàn)吹洞。 切割 12mm 厚的鐵板通常僅需 60 100kPa 。下面給出了某些材料切割時(shí)所采用的輔氣例子： 含碳鋼氧氣鍍碳鋼氧氣或空氣不銹鋼氧氣或高壓氮?dú)馑芰峡諝饽静目諝忖仛鍤?. 激光功率激光功率很顯然會影響切割效果，同時(shí)它在一定程度上依賴與切割的速度，影響切割材料

13、的能力（取決于厚度）。實(shí)際上，通常設(shè)置成最大功率，但是你應(yīng)該考慮激光光束的模式質(zhì)量（它的橫截面的能量分布情況），它會隨著功率的增加而變差。有時(shí)焦點(diǎn)上功率密度最高的時(shí)候，激光功率并不一定最高。采用保守一些的設(shè)置可能會取得最好的切割效果。激光器特性并不會一直不變，而是會由于激光器的使用壽命，光學(xué)部件的狀況和激光氣體的混合比和流量，而影響光束的模 式。如果在某一階段，切割質(zhì)量顯著變壞，首先要檢查上述的參數(shù)，其它的 引起切割質(zhì)量變壞的因素通常都是微不足道的。1. 清洗透鏡：透鏡上的污染物的積累將會導(dǎo)致透鏡的過熱，產(chǎn)生一個(gè)模糊 的焦點(diǎn)（當(dāng)然也會危害透鏡本身）。A 透鏡的選擇 與 Farley Laser

14、 Lab 系列產(chǎn)品配套的推薦透鏡為硒化鋅制成且其兩面均鍍 特殊的增透膜。由激光器發(fā)出的原始激光通過透鏡后會聚到焦點(diǎn)再向周圍發(fā)散（ 參見圖47)POWER DEK£ TY DEPTH OF FOCUS透鏡的選擇一套性能良好的透鏡會將一無發(fā)散角的光束聚焦成無限小的光斑。但由于批量生產(chǎn)問題，透鏡的光學(xué)質(zhì)量不可能完好，而激光束存在一定的發(fā)散角，因此聚焦光斑有一定尺寸，此尺寸正比于透鏡焦距和激光光束的發(fā)散角。2.5英寸焦距的透鏡得到的光斑比5.0英寸焦距的透鏡小，因此可獲得較高的功率密度，但其焦深比較小，因此透鏡的焦距的選擇取決于預(yù)切割材料 的厚度和類型。一般來講，5.0英寸焦距的透鏡可適用于

15、各種用途，而2.5英寸焦距的透鏡則僅用于切割很薄的材料或是切割速度要求較高時(shí)。7.5英寸透鏡僅用于切割厚材（碳鋼板>10mm和不銹鋼），此時(shí)要求厚木板的切割邊緣要非常平直。2.噴嘴的完整性：如果噴嘴孔不是一個(gè)規(guī)則的環(huán)形或者部分被堵塞（通常是由金屬屑的飛濺物引起的），將會引起輔助氣體的擾動，切割性能明顯改變。3. 噴嘴/ 光束的調(diào)整： 聚焦光束必須要與噴嘴孔同軸，否則，激光光束將 會被噴嘴擋住一部分。 透鏡的側(cè)向位置由調(diào)節(jié)旋鈕 （在切割頭的下部分） 來調(diào)整，它是鏡頭安裝模塊。該調(diào)節(jié)旋鈕作用于透鏡上 .4. 外部光路調(diào)整：各式各樣的光束傳輸鏡（激光器以外的）需要經(jīng)常進(jìn)行 調(diào)整。當(dāng)切割頭在工作

16、區(qū)移動時(shí)，激光光束必須通過透鏡的中心。如果 不做好外部傳輸鏡的清潔工作或者冷卻，可能會引起光學(xué)器件發(fā)熱，導(dǎo) 致光學(xué)系統(tǒng)偏離方向。5. 激光光束的模式質(zhì)量：激光模式的改變和激光器功率的改變都會給切割 質(zhì)量造成影響。你可以在必要的時(shí)候?qū)す馄鞯膬?nèi)部光路進(jìn)行調(diào)整。可 以尋找一些簡單的方法，例如，改變激光器輔助氣體的混合率。參見激 光器產(chǎn)品說明手冊。程序解析：一般用編程軟件生成的程序后綴都是（.MPF）格式的。下面就程序的大概意思進(jìn)行解釋。MATERIAL="mild steel"THICKNESS=4.00CLASS="standard"QUALITY=&qu

17、ot;standard" CUSTOMER="aluminium"材質(zhì)材料的厚度等級質(zhì)量 fine,fast,cleanORDER="aluminium"PARTNUMBER="aluminium"DATEOFPROCESSING=""TIMEOFPROCESSING="Wed Feb 25 14:06:24 2009"QTY=45ESTIMATEDCUTTIME=1234STARTCNC設(shè)定用戶零點(diǎn)坐標(biāo)METRIC公制單位G90走刀路徑是采用絕對值的形式SHUTTEROPEN光閘打開

18、GOTOF "N"<<R71跳轉(zhuǎn)指令N1 R70=1第一個(gè)加工位置G00 X0.00 Y0.00以 G0 的速度快速定位BEAMON調(diào)用專家數(shù)據(jù)庫的子程序G41刀具補(bǔ)償（左刀補(bǔ)）G01 X0.00 Y5.58直線插補(bǔ)（進(jìn)行直線切割）G02 X-2.23 Y6.79 I2.36 J7.03順時(shí)針圓弧插補(bǔ)（切割順時(shí)針的圓或圓弧）G02 X-3.85 Y8.38 I13.89 J15.68G02 X-5.91 Y11.15 I12.56 J11.51G02 X-7.12 Y13.51 I19.88 J11.69G02 X-8.30 Y16.41 I58.72 J25.63G01 X-11.00 Y16.41G03 X-11.3