#CO2激光切割工业应用和其关键技术

1、CO2 激光切割工业使用及其关键技术一、引言C02激光切割是用聚焦镜将C02激光束聚焦在材料表面使材料熔化， 同时用和激光束同轴的压缩气 体吹走被熔化的材料，并使激光束和 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

2、少大型冲压模具的制 造周期，又发展了数控步冲和电加工技术。 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,轮廓尺寸误差 0.1-0.5mm)、切口表面粗糙度 好(一般Ra为12.5-25 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、安全、无污染。大大改善了操作人员的工作环境。

3、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：C02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，使用日益广泛的 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。二、CO2激光切割的工业使用世界第一台 CO2 激光切割机是二十世纪七十年代的诞生的。 三十多 年来，由于使用领域的不断扩

4、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 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武汉楚天 激光公司、上海团结普瑞玛公司、 沈阳普瑞玛公司、 济南捷迈公司等。 根据美国激光工业使用权威杂志 “Industrial LaserSolution”2000 年度 报告统计：1999年全世界共

5、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，但使用水平和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

6、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使用激光切 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 CO2 激光切割技术。从目前国内使用情况分析, CO2 激光切割广泛使用于<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使用。

7、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和周期。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

8、切缝的特殊零件。 最广泛使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。 国内近年来使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，已有不少单位投入生产。国外除上述使用外，还在不断扩展其使用领域。(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

9、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、造船工业等的使用，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 激光切割的工业使用领域， 解决新的使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、机器和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、

10、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。由于能量密度和4/七2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 激光切割工业使用中广泛采用 5 7.5(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

11、。 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

12、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，它和控制喷嘴到材料 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

13、保持一致。如图所示。(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。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 dr

14、illing) 材料经连续激光的照射后在中心形成一凹坑， 然后由和激光束同轴的 氧流很快将熔融材料去除形成一孔。 一般孔的大小和板厚有关， 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和切割时相同，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。

15、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

16、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 )

17、。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和分 析。在使用时从喷嘴侧面通入一定压力Pn俵压为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也不断增加。可用下列公式计算：V=8.2d2(Pg+1)V-气体流速L/mi nd-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。此阈值和Pn、Pa比值及气体分子的自

18、由度(n)两因素有关：如氧气、空气的n=5,因此其阈 值 Pn=1ba%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 4 的结构。 德国汉诺威大学激光中心使 用 500WCO2 激光器，透镜焦距 2.5，采用小孔喷嘴和拉伐尔喷嘴 分别作了试验， 见图 4。试验结果如图 5所示：分别表示 NO2、 NO4、 NO5 喷嘴在不同的氧气压力下，切口表面粗糙度Rz和切割速度Vc的函数关系。从图中可以看出N02小孔喷嘴在Pn 为400Kpa(或4bar)时切割速度只能达到2.75m/min(碳钢板厚为2mm）。N04、N05二种拉伐尔喷嘴在 Pn为500Kpa到600Kpa时切 割速度可达到 3.5m/min 和 5.5m/min。应指出的是切割压力 Pc 还是工件和喷嘴距离的函数。由于斜激波在 气流的边界多次反射，使切割压力呈周期性的变化。第一高切割压