激光切割技术概述

1、激光切割技术概述激光束聚焦成很小的光点其最小直径可小于0.1mm,使焦点处到达很高的功率密度可超过106W/ cm2）。这时光束输入由光能转换的热量远远超过被 材料反射、传导或扩散局部，材料很快加热至汽化湿度，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窄如0.1mm左右的切缝。 切边热影响很小，根本没有工件变形。 切割过程中还添加与被切材料相适合的 辅助气体。钢切割时得用氧作为辅助气体与溶融金属产生放热化学反响氧化材 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气体。进入喷嘴的辅助气体还能冷却聚焦透镜，防止 烟尘进入透镜座内

2、污染镜片并导致镜片过热。大多数有机与无机都可以用激光切割。在工业制造占有分量很重的金属加工 业，许多金属材料，不管它具有什么样的硬度，都可进形无变形切割目前使 用最先进的激光切割系统可切割工业用钢的厚度已可接近20mm。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，甚至不能切割某些难切割材料可使用脉冲波激光束进展切割，由于 极高的脉冲波峰值功率，会使材料对光束的吸收系数瞬间急剧提高 。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，由于微机程序的现代化激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件 工 件图纸也可修改 ，它往往比冲切

3、、模压工艺更被优先选用；尽管它加工速度慢 于模冲，但它没有模具消耗，无需修理模具，还节约更换模具时间，从而节省 加工费用，降低产品本钱，所以从总体上讲在经济上更为合算。另一方面，从如何使模具适应工件设计尺寸和形状变化角度看，激光切割也可发挥其准确、重现性好的优势。作为层叠模具的优先制造手段，由于不需要高级模具制作工，激光切割运转费用也并不昂贵，因此还能显著地降低模具制造费用。激光切割模具还带来的附加好处是模具切边会产生一个浅硬化层热 影响区，提高模具运行中的耐磨性。激光切割的无接触特点给圆锯片切割成形 带来无应力优势，由此提高了使用寿命。常用工程材料的激光切割1.金属材料的激光切割 虽然几乎所

4、有的金属材料在室温对红外波能量有很高的反射率，但发射处于远红外波段1.064um光束的灯泵浦ND:YAG激光器及10.6卩mCO激光器还是成功的应用于许多金属的激光切割实践2.非金属材料的激光切割10.6卩波长的C02激光束很容易被非金属材料吸收，导热性不好和低的蒸发温度又使吸收的光束几乎整个输入材料内部，并在 光斑照射处瞬间汽化，形成起始孔洞，进入切割过程的良性循环。CO2 激光切割工业应用及其关键技术一、引言CO2激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料外表使材料熔化，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

5、十年代以来随着 CO2 激光 器及数控技术的不断完善和开展，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 了氧乙烷精细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 开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,

6、轮廓 尺寸误差 0.1-0.5mm)、切口外表粗 糙度好(一般 Ra为12.5-25卩m)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、平安、无污染。大大改善了操作人员的工作环境。当然就精度和切 口外表粗糙度而言, CO2 激光切割不可能超过电加工；就切割厚度而言难以到 达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 已经和正在取代一局部传统的切割工艺方法,特别是各种非金属材料的切割。 它是开展迅速,应用日益广

7、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开展,企业间竞争剧烈,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开展。二、C02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 激光切割机不断改良，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 公司、意大利 Prima 公司、瑞士 Bystronic 公司、日本

8、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XX团结普瑞玛公司、 XX 普瑞玛公司、 XX 捷迈公司、 XX 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1.5亿元人民币。 虽然激光切割的开展趋势较快，但应用水平与兴旺国家相比差距较大。至 2003 年我国已在工业生产中使用的

9、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。在此根底

10、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，C02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、航空工业中也开场获得了应用。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 本钱与周期。已采用的典型产品有：自动电梯构造件、升降电梯面板、机床及 粮食

11、机械外罩、各种电气柜、开关柜、纺织机械零件、工程机械构造件、大电 机硅钢片等。第二类：装饰、广告、效劳行业用的不锈钢（一般厚度<3mm）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

12、管上切出 <0.3mm 宽的均匀切缝，起割穿孔处小孔直径不 能>0.3m m，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

13、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 激光切割的关键技术激光束的参数、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/ n d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5 7.5 ？?(12719

14、0mm)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 相对于被切材料外表的位置十分重要。顾虑到切割质量、切割速度等因素原那 么上6mm的金属材料，焦点在外表上；6mm的碳钢，焦点在外表之上；6mm 的不锈钢 ,焦点在外表之下。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 ,在塑料板上进展激光束打印 ,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

15、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异。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 管进展扩束处理 ,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

16、制喷嘴到材料外表距离stand off的Z轴是两个相互独立的局部。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。 （如图 ） 3控制聚焦镜一般为金属反射聚焦系统的水压。假设聚焦前光束尺寸 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场外 ,一般都必须在板上穿 一小孔。早先

17、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 开场进展切割。对于没有冲压装置的激光切割机有两种穿孔的根本方法：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 时一样 ,飞溅较大。2脉冲穿孔： Pulse drilling 采用顶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

18、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展切割。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。从理论上讲通常可改变加

19、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方法比拟现实,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。实际结果说明 ,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。对气流的根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展放热反响；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、

20、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构造 ,即一锥形孔带端部小圆孔。通常用实 验和误差方法进展设计。 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,因此不进展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外表，其压力 称切割压力Pc,最后气体膨胀到大气压力Pa。研究工作说明随着Pn的增加，气流 流速增加,Pc也不断增加。可用以下公式计算：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Pn>4bar，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，并在工件外表形成涡流，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