CO2激光切割技术及其工业应用

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1、CO2CO2 激光切割技术及其工业应用激光切割技术及其工业应用CO2激光切割是用聚焦镜将 CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同时用与 激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对 运动,从而形成一定形状的切缝。CO2激光切割是用聚焦镜将 CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同时用与 激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对 运动,从而形成一定形状的切缝。随着 CO2激光器及数控技术的不断完善和发展,目 前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。一、引言CO2激光切割是用聚焦镜将 CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同时用与 激光

2、束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对 运动,从而形成一定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着 CO2激光器及数 控技术的不断完善和发展,目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。 在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙炔火焰 切割；对于薄板采用剪床下料,成形复杂零件大批量的采用冲压,单件的采用振 动剪。七十年代后,为了改善和提高火焰切割的切口质量,又推广了氧乙烷精密 火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期,又发展了数控步冲 与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点,在工业生产中有一定的适用范 围。 CO2激光切割技术比

3、其他方法的明显优点是：（1）切割质量好。切口宽度窄（一般为 0.1-0.5mm）、精度高（一般孔中 心距误差 0.1-0.4mm,轮廓尺寸误差 0.1-0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般 Ra 为 12.5-25m）,切缝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 厚的碳钢切割速度为 1.6m/min；2mm 厚的不锈钢切割速度为 3.5m/min,热影响区小,变形极小。（3）清洁、安全、无污染。大大改善了操作人员的工作环境。当然就精度 和切口表面粗糙度而言, CO2激光切割不可能超过电加工；就切割厚度而言难以 达到火焰和等离子切割的水平。但是就以上显著的优

4、点足以证明：CO2激光切割 已经和正在取代一部分传统的切割工艺方法,特别是各种非金属材料的切割。它 是发展迅速,应用日益广泛的一种先进加工方法。九十年代以来,由于我国社会主义市场经济的发展,企业间竞争激烈,每个企 业必须根据自身条件正确选择某些先进制造技术以提高产品质量和生产效率。 因此 CO2激光切割技术在我国获得了较快的发展。1. CO2激光切割的工业应用世界第一台 CO2激光切割机是二十世纪七十年代的诞生的。三十多年来,由 于应用领域的不断扩大, CO2激光切割机不断改进,目前国际国内已有多家企业 从事生产各种 CO2激光切割机以满足市场的需求,有二维平板切割机、三维空间 曲线切割机、管

5、子切割机等。国外知名企业有德国 Trumpf 公司、意大利 Prima 公司、瑞士 Bystronic 公司、日本 Amada 公司、MAZAK 公司、NTC 公司、澳大利 亚 HG Laser Lab 公司等。目前国内能提供平板切割机的企业有上海团结普瑞玛 公司、沈阳普瑞玛公司、济南捷迈公司、武汉楚天公司等。根据美国激光工业 应用权威杂志“Industrial Laser Solution”2000 年度报告统计：1999 年全 世界共销售的激光切割系统（主要是 CO2激光切割系统）为 3325 台,共 11.74 亿美元。据不完全统计我国目前每年生产 CO2激光切割机近 100 台,共 1

6、.5 亿元 人民币。虽然激光切割的发展趋势较快,但应用水平与发达国家相比差距较大。 至 2003 年我国已在工业生产中使用的 CO2激光切割系统累计已达 500 台左右, 约占全世界正运行系统总量的 1.5%。CO2激光切割系统的购置者主要是两类一类是大中型制造企业,这些企业生产的产品中有大量板材需要下料、切料,并 且具有较强的经济和技术实力；另一类是加工站（国外称 Job Shop）,加工站 是专门对外承接激光加工业务的,自身无主导产品。它的存在一方面可满足一些 中小企业加工的需要；一方面在初期对推广应用激光切割技术起到宣传示范的 作用。1999 年美国全国共有激光加工站 2700 家,其中

7、 51%从事激光切割工作。 八十年代我国激光加工站主要从事激光热处理工作,九十年代后,激光切割及攻 站逐步增加。在此基础上随着我国大中型企业体制改革的深入和经济实力的增 强,越来越多的企业将采用 CO2激光切割技术。从目前国内应用情况分析, CO2激光切割广泛应用于0.3mm,切 割技术难度大,已有不少单位投入生产。国外除上述应用外,还在不断扩展其应用领域。（1）采用三维激光切割系统或配置工业机器人,切割空间曲线,开发各种三 维切割软件,以加快从画图到切割零件的过程。（2）为了提高生产效率,研究开发各种专用切割系统,材料输送系统,直线 电机驱动系统等,目前切割系统的切割速度已超过 100m/m

8、in。（3）为扩展工程机械、造船工业等的应用,切割低碳钢厚度已超过 30mm,并 特别注意研究用氮气切割低碳钢的工艺技术,以提高切割厚板的切口质量。因此 在我国扩大 CO2激光切割的工业应用领域,解决新的应用中一些技术难题仍然是 工程技术人员的重要课题。三、CO2激光切割的几项关键技术是光、机、电一体化的综合技术激光束的参数、机器与数控系统的性能和精度都直接影响激光切割的效率 和质量。特别是对于切割精度较高或厚度较大的零件,必须掌握和解决以下几项 关键技术：1、 焦点位置控制技术：激光切割的优点之一是光束的能量密度高,一般10W/cm2。由于能量密度与 4/d2 成正比,所以焦点光斑直径尽可能

9、的小,以便产生一窄的切缝；同时焦点 光斑直径还和透镜的焦深成正比。聚焦透镜焦深越小,焦点光斑直径就越小。但 切割有飞溅,透镜离工件太近容易将透镜损坏,因此一般大功率 CO2激光切割工 业应用中广泛采用 57.5(127190mm)的焦距。实际焦点光斑直径在 0.10.4mm 之间。对于高质量的切割,有效焦深还和透镜直径及被切材料有关。 例如用 5的透镜切碳钢,焦深为焦距的+2%范围内,即 5mm 左右。因此控制焦点 相对于被切材料表面的位置十分重要。顾虑到切割质量、切割速度等因素原则 上6mm 的碳钢,焦点在表面之上；6mm 的不 锈钢,焦点在表面之下。具体尺寸由实验确定。在工业生产中确定焦点

10、位置的简便方法有三种：（1）打印法：使切割头从上往下运动,在塑料板上进行激光束打印,打印直 径最小处为焦点。（2）斜板法：用和垂直轴成一角度斜放的塑料板使其水平拉动,寻找激光 束的最小处为焦点。（3）蓝色火花法：去掉喷嘴,吹空气,将脉冲激光打在不锈钢板上,使切割 头从上往下运动,直至蓝色火花最大处为焦点。对于飞行光路的切割机,由于光束发散角,切割近端和远端时光程长短不同, 聚焦前的光束尺寸有一定差别。入射光束的直径越大,焦点光斑的直径越小。为 了减少因聚焦前光束尺寸变化带来的焦点光斑尺寸的变化,国内外激光切割系统 的制造商提供了一些专用的装置供用户选用：（1）平行光管。这是一种常用的方法,即在

11、 CO2 激光器的输出端加一平行 光管进行扩束处理,扩束后的光束直径变大,发散角变小,使在切割工作范围内近 端和远端聚焦前光束尺寸接近一致。（2）在切割头上增加一独立的移动透镜的下轴,它与控制喷嘴到材料表面 距离（stand off）的 Z 轴是两个相互独立的部分。当机床工作台移动或光轴移 动时,光束从近端到远端 F 轴也同时移动,使光束聚焦后光斑直径在整个加工区 域内保持一致。（3）控制聚焦镜（一般为金属反射聚焦系统）的水压。若聚焦前光束尺寸 变小而使焦点光斑直径变大时,自动控制水压改变聚焦曲率使焦点光斑直径变小。（4）飞行光路切割机上增加 x、y 方向的补偿光路系统。即当切割远端光 程增加

12、时使补偿光路缩短；反之当切割近端光程减小时,使补偿光路增加,以保 持光程长度一致。2.切割穿孔技术：任何一种热切割技术,除少数情况可以从板边缘开始外,一般都必须在板上 穿一小孔。早先在激光冲压复合机上是用冲头先冲出一孔,然后再用激光从小孔 处开始进行切割。对于没有冲压装置的激光切割机有两种穿孔的基本方法：（1）爆破穿孔：(Blast drilling)材料经连续激光的照射后在中心形成一凹坑,然后由与激光束同轴的氧流很 快将熔融材料去除形成一孔。一般孔的大小与板厚有关,爆破穿孔平均直径为板 厚的一半,因此对较厚的板爆破穿孔孔径较大,且不圆,不宜在要求较高的零件上 使用（如石油筛缝管）,只能用于废

13、料上。此外由于穿孔所用的氧气压力与切割 时相同,飞溅较大。（2）脉冲穿孔：（Pulse drilling）采用高峰值功率的脉冲激光使少量材料熔化或汽化,常用空气或氮气作为辅 助气体,以减少因放热氧化使孔扩展,气体压力较切割时的氧气压力小。每个脉 冲激光只产生小的微粒喷射,逐步深入,因此厚板穿孔时间需要几秒钟。一旦穿 孔完成,立即将辅助气体换成氧气进行切割。这样穿孔直径较小,其穿孔质量优 于爆破穿孔。为此所使用的激光器不但应具有较高的输出功率；更重要的时光 束的时间和空间特性,因此一般横流 CO2 激光器不能适应激光切割的要求。此外脉冲穿孔还须要有较可靠的气路控制系统,以实现气体种类、气体压力的

14、切换及 穿孔时间的控制。在采用脉冲穿孔的情况下,为了获得高质量的切口,从工件静止时的脉冲穿 孔到工件等速连续切割的过渡技术应以重视。从理论上讲通常可改变加速段的 切割条件：如焦距、喷嘴位置、气体压力等,但实际上由于时间太短改变以上条 件的可能性不大。在工业生产中主要采用改变激光平均功率的办法比较现实,具 体方法有以下三种：（1）改变脉冲宽度；（2）改变脉冲频率；（3）同时改变 脉冲宽度和频率。实际结果表明,第（3）种效果最好。3.喷嘴设计及气流控制技术：激光切割钢材时,氧气和聚焦的激光束是通过喷嘴射到被切材料处,从而形 成一个气流束。对气流的基本要求是进入切口的气流量要大,速度要高,以便足 够

15、的氧化使切口材料充分进行放热反应；同时又有足够的动量将熔融材料喷射 吹出。因此除光束的质量及其控制直接影响切割质量外,喷嘴的设计及气流的控 制（如喷嘴压力、工件在气流中的位置等）也是十分重要的因素。目前激光切割用的喷嘴采用简单的结构,即一锥形孔带端部小圆孔。通常用 实验和误差方法进行设计。由于喷嘴一般用紫铜制造,体积较小,是易损零件,需 经常更换,因此不进行流体力学计算与分析。在使用时从喷嘴侧面通入一定压力 Pn(表压为 Pg)的气体,称喷嘴压力,从喷嘴出口喷出,经一定距离到达工件表面, 其压力称切割压力 Pc,最后气体膨胀到大气压力 Pa。研究工作表明随着 Pn 的增 加,气流流速增加,Pc

16、 也不断增加。可用下列公式计算：V=8.2d2(Pg+1)V-气体流速 L/mind-喷嘴直径 mmPg-喷嘴压力（表压）bar对于不同的气体有不同的压力阈值,当喷嘴压力超过此值时,气流为正常斜 激波,气流速从亚音速向超音速过渡。此阈值与 Pn、Pa 比值及气体分子的自由 度（n）两因素有关：如氧气、空气的 n=5,因此其阈值 Pn=1bar(1.2) 3.5=1.89bar。当喷嘴压力更高 Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2 时（Pn4bar）,气流正常 斜激波封变为正激波,切割压力 Pc 下降,气流速度减低,并在工件表面形成涡流, 削弱了气流去除熔融材料的作用,影响了切割速度。因此采用锥孔带端部小圆孔 的喷嘴,其氧气的喷嘴压力常在 3bar 以下。为进一步提高激光切割速度,可根据空气动力学原理,在提高喷嘴压力的前 提下不产生正激波,设计制造一种缩放型喷嘴,即拉伐尔（Laval）喷嘴。为方便 制造可采用如图 2 的结构。德国汉诺威大学激光中心使用 500W CO2 激光器,透 镜焦距 2.5,采用小孔喷嘴和拉伐尔喷嘴分