CO2激光切割工業(yè)應用及其關鍵技術

1、CO2激光切割工業(yè)應用及其關鍵技術一、引言CO2激光切割是用聚焦鏡將CO2敷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，從而形成一定形狀的切縫。從二十世紀七十年代以來隨著CO2敷光器及數(shù)控技術的不斷完善和發(fā)展，目前已成為工業(yè)上板材切割的一種先進的加工方一、引言CO2激光切割是用聚焦鏡將CO2敷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，從而形成一定形狀的切縫。從二十世紀七十年代以來隨著CO2a光器及數(shù)控技術的不斷完善和發(fā)展，目前已成為工業(yè)上板材切割的一種先

2、進的加工方法。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。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敷光切割技術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）、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12.5-25Nm）,切縫一

3、般不需要再加工即可焊接。（2）切割速度快。例如采用2KW敷光功率，8mnff的碳鋼切割速度為1.6m/min；2mmJ的不銹鋼切割速度為3.5m/min,熱影響區(qū)小，變形極小。（3）消潔、安全、無污染。大大改善了操作人員的工作環(huán)境。當然就精度和切口表面粗糙度而言，CO21光切割不可能超過電加工；就切割厚度而言難以達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：CO2t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，應用日益廣泛的一種先進加工方法。九十年代以來，由于我國社會主義市場經(jīng)濟的發(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

4、進制造技術以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此CO2敷光切割技術在我國獲得了較快的發(fā)展。二、CO21光切割的工業(yè)應用世界第一臺CO21光切割機是二十世紀七十年代的誕生的。三十多年來，由于應用領域的不斷擴大，CO2t光切割機不斷改進，目前國際國內(nèi)已有多家企業(yè)從事生產(chǎn)各種CO2敷光切割機以滿足市場的需求，有二維平板切割機、三維空間曲線切割機、管子切割機等。國外知名企業(yè)有德國Trumpf公司、意大利Prima公司、瑞士Bystronic公司、日本Amad必司、MAZAK公司、TANAKAKOIKENTS司、澳大利亞HGLaserLab公司等。目前國內(nèi)能提供平板切割機的企業(yè)有上海團結(jié)普瑞瑪公司、沈陽普瑞瑪公

5、司、濟南捷邁公司、武漢楚天公司等。根據(jù)美國激光工業(yè)應用權威雜志“IndustrialLaserSolution”2000年度報告統(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，但應用水平與發(fā)達國家相比差距較大。至2003年我國已在工業(yè)生產(chǎn)中使用的CO2敢光切割系統(tǒng)累計已達500臺左右，約占全世界正運行系統(tǒng)總量的1.5%。CO2敷光切割系統(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

6、較強的經(jīng)濟和技術實力；另一類單位是加工站(國外稱JobShop)，加工站是專門對外承接激光加工業(yè)務的，自身無主導產(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用激光切割技術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，九十年代后，激光切割及攻站逐步增加。在此基礎上隨著我國大中型企業(yè)體制改革的深入和經(jīng)濟實力的增強，越來越多的企業(yè)將采用CO2敷光切割技術。從目前國內(nèi)應用情況分析，CO2敷光切割廣泛應用于12mM的低碳鋼板、6mnS的不銹鋼板及20mmj的非金屬材料。對于三維空間曲線的

7、切割，在汽車、航空工業(yè)中也開始獲得了應用。目前適合采用CO2敷光切割的產(chǎn)品大體上可歸納為三類：第一類：從技術經(jīng)濟角度不宜制造模具的金屬鈑金件，特別是輪廓形狀復雜，批量不大，一般厚度12mnm勺低碳鋼、6mnB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、機床及糧食機械外罩、各種電氣柜、開關柜、紡織機械零件、工程機械結(jié)構(gòu)件、大電機硅鋼片等。第二類：裝飾、廣告、服務行業(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、標記、字體等。如藝術照相冊的圖案，公司、單位、賓館、商場的標記，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

8、件。最廣泛應用的典型零件是包裝印刷行業(yè)用的模切版，它要求在20mnB的木模板上切出縫寬為0.70.8mm的槽，然后在槽中鑲嵌刀片。使用時裝在模切機上，切下各種已印刷好圖形的包裝盒。國內(nèi)近年來應用的一個新領域是石油篩縫管。為了擋住泥沙進入抽油泵，在壁厚為69mm勺合金鋼管上切出0.3mm寬的均勻切縫，起割穿孔處小孔直徑不能0.3mm切割技術難度大，已有不少單位投入生產(chǎn)。國外除上述應用外，還在不斷擴展其應用領域。(1)采用三維激光切割系統(tǒng)或配置工業(yè)機器人，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)，直線電機驅(qū)動系

9、統(tǒng)等，目前切割系統(tǒng)的切割速度已超過100m/min。(3)為擴展工程機械、造船工業(yè)等的應用，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，以提高切割厚板的切口質(zhì)量。因此在我國擴大CO2敷光切割的工業(yè)應用領域，解決新的應用中一些技術難題仍然是工程技術人員的重要課題。三、CO21光切割的幾項關鍵技術CO2激光切割的幾項關鍵技術是光、機、電一體化的綜合技術。激光束的參數(shù)、機器與數(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鍵技術：1、焦點位置控制技術：激光切割的優(yōu)點之一是光束的能量密度高，一般10W/cm2

10、由于能量密度與4/：td2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敖光切割工業(yè)應用中廣泛采用57.5(127190mm)勺焦距。實際焦點光斑直徑在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。例如用5的透鏡切碳鋼，焦深為焦距的+2%£圍內(nèi)，即5mmfc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勺金屬材料，焦點在表面上；6mm勺碳鋼，焦點在表面之上；6

11、mm勺不銹鋼，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)藍色火花法：去掉噴嘴，吹空氣，將脈沖激光打在不銹鋼板上，使切割頭從上往下運動，直至藍色火花最大處為焦點。對于飛行光路的切割機，由于光束發(fā)散角，切割近端和遠端時光程長短不同，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

12、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敷光器的輸出端加一平行光管進行擴束處理，擴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(standoff)的Z軸是兩個相互獨立的部分。當機床工作臺移動或光軸移動時，光束從近端到遠端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。(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) 飛行光路切割機上增加x、y方向的補償

13、光路系統(tǒng)。即當切割遠端光程增加時使補償光路縮短；反之當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：任何一種熱切割技術，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。早先在激光沖壓復合機上是用沖頭先沖出一孔，然后再用激光從小孔處開始進行切割。對于沒有沖壓裝置的激光切割機有兩種穿孔的基本方法：(1) 爆破穿孔：(Blastdrilling)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，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

14、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：(Pulsedrilling)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擴展，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敷光器不能適應激光切割的要求。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

15、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)切割的過渡技術應以重視。從理論上講通?？筛淖兗铀俣蔚那懈顥l件：如焦距、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：(3) 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. 噴嘴設計及氣流控制技術：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入切口的氣流量要大，速度要高，以便足夠的氧化使

16、切口材料充分進行放熱反應；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，噴嘴的設計及氣流的控制（如噴嘴壓力、工件在氣流中的位置等）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（如圖）。通常用實驗和誤差方法進行設計。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，因此不進行流體力學計算與分析。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)一定距離到達工件表面，具壓力稱切割壓力Pc,最后氣體膨月到大氣壓力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?/p>

17、計算：V=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P仆Pa比值及氣體分子的自由度（n）兩因素有關：如氧氣、空氣的n=5,因此其閾值Pn=1barx（1.2）3.5=1.89bar。當噴嘴壓力更高Pn/Pa=（1+1/n）1+n/2時（Pn>4bar），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3bar

18、以下。為進一步提高激光切割速度，可根據(jù)空氣動力學原理，在提高噴嘴壓力的前提下不產(chǎn)生正激波，設計制造一種縮放型噴嘴，即拉伐爾（Laval）噴嘴。為方便制造可采用如圖4的結(jié)構(gòu)。德國漢諾威大學激光中心使用500WCO2光器，透鏡焦距2.5，采用小孔噴嘴和拉伐爾噴嘴分別作了試驗。試驗結(jié)果所示：分別表示NO2NO4NO5賁嘴在不同的氧氣壓力下，切口表面粗糙度Rz與切割速度Vc的函數(shù)關系。從圖中可以看出NO2、孔噴嘴在Pn為400Kpa（或4bar）時切割速度只能達到2.75m/min（碳鋼板厚為2mm）NO4NO5T種拉伐爾噴嘴在Pn為500Kpa到600Kpa時切割速度可達到3.5m/min和5.5m

19、/min。應指出的是切割壓力Pc還是工件與噴嘴距離的函數(shù)。由于斜激波在氣流的邊界多次反射，使切割壓力呈周期性的變化。第一高切割壓力區(qū)緊鄰噴嘴出口，工件表面至噴嘴出口的距離約為0.51.5mm,切割壓力Pc大而穩(wěn)定，是目前工業(yè)生產(chǎn)中切割手扳常用的工藝參數(shù)。第二高切割壓力區(qū)約為噴嘴出口的33.5mm切割壓力Pc也較大，同樣可以取得好的效果，并有利于保護透鏡，提高其使用壽命。曲線上的其他高切割壓力區(qū)由于距噴嘴出口太遠，與聚焦光束難以匹配而無法采用。綜上所述，CO2敏光器切割技術正在我國工業(yè)生產(chǎn)中得到越來越多的應用，國外正研究開發(fā)更高切割速度和更厚鋼板的切割技術與裝置。為了滿足工業(yè)生產(chǎn)對質(zhì)量和生產(chǎn)效率越來越高的要求，必須重視解決各種關鍵技術及執(zhí)行質(zhì)量標準，以使這一新技術在我國獲得更廣泛的應用。情感語錄1 .愛情合適就好，不要委屈將就，只要隨意，