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1、激光切割加工基础知识第一部分 激光切割的原理和功能一、激光切割的原理激光切割是由电子放电作为供给能源，通过 He、N2、CO2 等混合气体为激发媒介，利用反射镜组聚焦产生激光光束，从而对材料进行切割。激光切割的过程：在数控程序的激发和驱动下，激光发生器内产生出特定模式和类型的激光，经过光路系统传送到切割头，并聚焦于工件表面，将金属熔化；同时, 喷嘴从与光束平行的方向喷出辅助气体将熔渣吹走；在由程控的伺服电机驱动下，切割头按照预定路线运动，从而切割出各种形状的工件。图1：激光切割示意图二、 机床结构SLCF-X1540F数控激光切割机是意大利普瑞玛（PRIMA）工业公司的主导机型悬臂式飞行光路结
2、构的激光切割机，加工板材尺寸为15004000毫米，配有交换工作台。（一） 该机型的主要特点如下：l 悬臂式开式结构，可从三个方向上下料，人机接近性极好，可放置超长超宽的板材。l 可移动式切割工作台与主机分离，柔性大。可加装焊接、切管等功能。l 精密传动部件不在切割区域内，防护容易，也不会由于工作台及床身切割热变形影响机床的精度。l 从根本上消除了电器双边同步锁产生的误差，避免了横梁的扭动，使得光路稳定，切割精度提高。l 配有高速的Z轴系统，同时可通过数控系统控制辅助气体的压力、流量等，大大提高了加工效率。l 新型的PM400V2.0智能化编程软件，具有蛙跳、共边切割、优化套排料、高效穿孔、尖
3、角处理等功能。l 具有先进的多腔分室除尘系统，比单纯的抽风系统除尘效果更高。 （二）机床的结构主要由以下几部分组成：1、床身全部光路安置在机床的床身上，床身上装有横梁、切割头支架和切割头工具，通过特殊的设计，消除在加工期间由于轴的加速带来的振动。机床底部分成几个排气腔室，当切割头位于某个排气室上部时，阀门打开，废气被排出。通过支架隔架，小工件和料渣落在废物箱内。2、工作台 移动式切割工作台与主机分离，柔性大，可加装焊接、切管等功能。配有两张1.5米4米的工作台可供交换使用，当一个工作台在进行切割加工的同时，另一张工作台可以同时进行上下料操作，有效提高工作效率。两个工作台可通过编程或按钮自动交换
4、。工作台下方配有小车收集装置，切割的小料及金属粉末会集中收集在小车中。3、切割头 是光路的最后器件，其内置的透镜将激光光束聚焦，标准切割头焦距有 5 英寸和 7.5 英寸(主要用于割厚板)两种。良好的切割质量与喷嘴和工件的间距有关，本机切割头使用德国PRECITEC公司生产的非接触式电容传感头，在切割过程中可实现自动跟踪与修正工件表面与喷嘴的间距，调整激光焦距与板材的相对位置，以消除因被切割板材的不平整对切割材料造成的影响。自动找准材料的摆放位置（红光指示器）。4、控制系统控制系统包括数控系统（集成可编程序控制器PLC）、电控柜及操作台。PMC-1200数控系统由32位CPU控制单元、数字伺服
5、单元、数字伺服电机、电缆等组成，采用全中文才做界面，10.4彩色液晶显示器，能实现机外编程计算机与机床的控制系统进行数据传输通讯（具有232接口），具有加速、突变限制；具有图形显示功能，可对激光器的各种状态进行在线和动态控制功能。5、激光控制柜 控制和检查激光器的功能，并显示系统的压力、功率、放电电流和激光器的运行模式。6、激光器 采用原装进口德国ROFIN公司SLAB3000W型激光发生器，是目前世界先进的RF激励板式放电的二氧化碳激光器。其心脏是谐振腔, 激光束就在这里产生，激光气体是由二氧化碳氮气氦气的混合气体，通过涡轮机使气体沿谐振腔的轴向高速运动，气体在前后两个热交换器中冷却，以利于
6、高压单元将能量传给气体。7、冷却设备 冷却激光器、激光气体和光路系统。8、除尘装置内置管道及风机，改善了工作环境。切割区域内装有大通径除尘管道及大全压的离心式除尘风机，加之全封闭的机床床身及分段除尘装置，具有较好的除尘效果。9、供气系统 包括气源、过滤装置和管路。气源含瓶装气和压缩空气（空气压缩机、冷干机）。 （三）设备的技术参数表1：激光切割机技术参数序号项目名称参数单位1切割板材尺寸1500*4000mm2X轴行程4000mm3Y轴行程1500mm4Z轴行程100mm5X、Y轴定位精度0.03mm/m6X、Y轴重复定位精度0.03mm7X、Y轴最大定位速度100m/min8切割工作台最大载
7、重750kg9切割碳钢最大厚度18-20mm10切割不锈钢最大厚度8-10mm11切割铝板最大厚度5-6mm12真空悬臂吊最大载重500kg（四） ROFIN 3000W CO2激光发生器技术参数表2：激光器技术参数激光束特性功率范围（W）0-3000最大功率（W）3000长时间功率稳定性公称功率2%光束直径（1/e2)（毫米）20-25光束发散（全角）（毫弧度）0.5光束端点稳定性（毫弧度）0.15因子K（公称功率）K0.9偏振状态45度线偏振光束模式00模式操作连续波、门脉冲脉冲参数脉冲重复频率（赫兹）CW-5000最小脉冲周期（微秒）26脉冲宽度26um电、气、冷却电能消耗（千伏安）38
8、0V10%，三相，50赫兹工作耗电38KVA待机耗电2.5KVA最小气体消耗（升/小时）2%最大功率时（氦气65%，氮气30%，CO25%）0.1L/H冷却能力（千瓦，环境温度40度）35压缩空气压力（巴）4环境温度范围（度）5-30三、 切割方法 不同的材料，切割方法不一样，主要分为熔化切割、氧化切割、气化切割、导向断裂切割等。表3：切割方法与对应的材料序号切割方法对应切割材料1熔化切割不锈钢、铝2氧化切割碳钢3气化切割木材、碳素材料和某些塑料4导向断裂切割陶瓷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，熔化的液态材料被气体吹走，形成切缝，切割仅在液态下进行，故称为熔化
9、切割。切割时在与激光同轴的方向供给高纯度的不活泼气体，辅助气体仅将熔化金属吹出切缝，不与金属反应。这种切割方法的激光功率密度在107W/cm2左右。l 激光光束配上高纯惰性切割气体促使熔化的材料离开割缝，而气体本身不参于切割。l 最大切割速度随着激光功率的增加而增加，随着板材厚度的增加和材料熔化温度的增加而几乎反比例地减小。在激光功率一定的情况下，限制因数就是割缝处的气压和材料的热传导率。2、氧化切割 与熔化切割不同，激光氧化切割使用活泼的氧气作为辅助气体。由于氧与已经炽热了的金属材料发生化学反应，释放出大量的热，结果是材料进一步被加热。l 材料表面在激光束照射下很快被加热到燃点温度，与氧气发
10、生激烈的燃烧反应，放出大量热量，在此热量作用下，材料内部形成充满蒸汽的小孔，而小孔周围被熔化的加工材料所包围。l 燃烧物质转移成熔渣，控制氧和加工材料的燃烧速度，氧气流速越高，燃烧化学反应和去除熔渣的速度也越快。但是 ，如果氧气速度过快，将导致割缝出口处的反应产物即金属氧化物的快速冷却，对切割质量造成不利影响。l 切割过程存在两个热源：激光束照射能和化学反应所产生的热能。据估计，切割碳钢时，氧化反应所产生的热能占切割所需能量的60%。l 在氧化切割过程中，如果氧化燃烧的速度高于激光束移动的速度，割缝将变宽且粗糙，反之，如果移动速度慢，则割缝窄而光滑。3、气化切割 激光束焦点处功率密度非常高，可
11、达106W/cm2以上，激光光能转换成热能，保持在极小的范围内，材料很快被加热至气化温度，部分材料气化为蒸汽逸去，部分材料被辅助气体吹走，随着激光束与材料之间的连续不断的相对运动，便形成宽度很窄（如0.2mm）的割缝。这种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过这种方法进行切割。l 激光氧化切割在加工精密模型和尖角时是不好的（有烧掉尖角的危险）。可以使用脉冲模式的激光来限制热影响。l 所用的激光功率决定切割速度。在激光功率一定的情况下，限制因数就是氧气的供应和材料的热传导率。4、导向断裂切割 对于容易受热破坏的脆性材料，通过激光束加热进行高速
12、、可控的切断，称为导向断裂切割。这种切割过程主要内容是：激光束加热脆性材料小块区域，引起该区域大的热梯度和严重的机械变形，导致材料形成裂缝。只要保持均衡的加热梯度，激光束可引导裂缝在任何需要的方向产生。选择切割方法，需考虑它们的特点和板件的材料，有时也要考虑切割的形状。由于气化相对熔化需要更多的热量，因此激光熔化切割的速度比激光气化切割的速度快，激光氧化切割则借助氧气与金属的反应热使速度更快；同时，氧化切割的切缝宽，粗糙度高，热影响区大因此切缝质量相对较差，而熔化切割割缝平整，表面质量高，气化切割因没有熔滴飞溅，切割质量最好。另外，熔化切割和气化切割可获得无氧化切缝，对于有特殊要求的切割有重要
13、意义。一般的材料可用氧化切割完成，如果要求表面无氧化，则须选择熔化切割，气化切割一般用于对尺寸精度和表面光洁度要求很高的情况，故其速度也最低。另外，切割的形状也影响切割方法，在加工精细的工件和尖锐的角时，氧化切割可能是危险的，因为过热会使细小部位烧损。四、运行模式 激光器经常运行在连续输出模式，为了得到最佳的切割质量，对于给定的材料，有必要调整进给速率，例如拐弯时的加速，减速和延时。因此，在连续输出模式下，降低功率是不够的，必须通过变化脉冲来调整激光功率。表4：各种不同的激光运行模式、应用范围和举例在连续模式下，激光输出的功率是恒定的，这使得进入板料的热量比较均匀，它适合于一般情况下较快速的切
14、割，一方面可以提高工作效率，另一方面也是避免热量集中导致热影响区组织恶变的需要。调制模式的激光功率是切割速度的函数，它可以通过限制在各点处的功率使 进入板料的热量保持在相当的低水平，从而防止切缝边缘的烧伤。由于它的控制比较复杂，因此效率不是很高，只在短时段内使用。脉冲模式虽可细分为三种情况，实质上只是强度的差别，往往根据材料的特性和结构的精度来选择。五、 激光切割的特点1、激光切割的切缝窄，工件变形小 激光束聚焦成很小的光点，使焦点处达到很高的功率密度。这时光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分，材料很快加热至汽化程度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很
15、窄的切缝。切边受热影响很小，基本没有工件变形。切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助汽体。碳钢切割时利用氧作为辅助汽体与熔融金属产生放热化学反应氧化材料，同时帮助吹走割缝内的熔渣。切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气，棉、纸等易燃材料切割使用惰性汽体。进入喷嘴的辅助汽体还能冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。 大多数有机与无机材料都可以用激光切割。在工业制造系统占有份量很重的金属加工业，许多金属材料，不管它是什么样的硬度，都可以进行无变形切割。当然，对高反射率材料，如金、银、铜和铝合金，它们也是好的传热导体，因此激光切割很困难，甚至不能切割。激光切割无毛刺、皱折、精度高，优于等离子切割。对许多机电制造行业来说，由于微机程序控制的现代激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件，它往往比冲切、模压工艺更被优先选用；尽管它加工速度还慢于模冲，但它没有模具消耗，无须修理模具，还节约更换模具时间，从而节省
