激光切割技术介绍

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1、激光切割技术介绍激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降 低加工成本，提高工件质量。 脉冲激光适用于金属材料， 连续激光适用于非金属材料， 后者是激光切割技术的重要应用领域。现代的激光成了人们所幻想追求的“削铁如泥 ”的“宝剑”。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。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

2、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。一、C02激光切割技术相比其他方法的明显优点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12.5-25pm ）, 切缝一般不需要再加工即可焊接

3、。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

4、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。二、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 子切割机等。国外知名企业有德国 Trumpf （通快、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

5、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In dustrial LaserSolution”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 1.5 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

6、切割系统的购置着主要是两类单位：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 单位是加工站（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 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 CO

7、2 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 12mm 厚的低碳钢板 ;6mm 厚的不锈钢板及； 20mm 厚的非金属材料。对于三维空间曲线的切割 ,在汽车、航空 工业中也开始获得了应用。目前适合采用 CO2 激光切割的产品大体上可归纳为三类： 第一类：从技术经济角度不宜制造模具的金属钣金件 ,特别是轮廓形状复杂 ,批量 不大，一般厚度;12mm的低碳钢、;6mm厚的不锈钢，以节省制造模具的成本与周期。 已采用的典型产品有：自动电梯结构件、升降电梯面板、机床及粮食机械外罩、各种 电气柜、开关柜、纺织机械零件、工程机械结构件、大电机硅钢片等。第二类：装饰、广告、服务行业

8、用的不锈钢（一般厚度 3m m ）或非金属材料（一 般厚度20mm ）的图案、标记、字体等。如艺术照相册的图案，公司、单位、宾馆、 商场的标记 ,车站、码头、公共场所的中英文字体。第三类：要求均匀切缝的特殊零件。最广泛应用的典型零件是包装印刷行业用的 模切版 ,它要求在 20mm 厚的木模板上切出缝宽为 0.70.8mm 的槽,然后在槽中镶嵌 刀片。使用时装在模切机上 ,切下各种已印刷好图形的包装盒。国内近年来应用的一 个新领域是石油筛缝管。 为了挡住泥沙进入抽油泵 ,在壁厚为 69mm 的合金钢管上切 出 0.3mm 宽的均匀切缝 ,起割穿孔处小孔直径不能 0.3mm, 切割技术难度大 ,已

9、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/min 。（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

10、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/nd2成正比，所以焦点光斑直径尽可能的小，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

11、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 的金属材料 ,焦点在表面上； 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

12、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

13、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 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。

14、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,

15、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

16、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：改变脉冲宽度；改变脉冲频率；同时改变脉冲宽度和频率。实际结果表 明，第种效果最好。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（如图 4）。通常用实验和