激光切割技术简介

激光切割技术简介利用激光切割设备可切割4mm以下的不锈钢，在激光束中加氧气可切割8〜10mm厚的不锈钢，但加氧切割后会在切割面形成薄薄的氧化膜切割的最大厚度可增加到16mn）但切割部件的尺寸误差较大激光切割设备的价格相当贵，约150美元以上但是，由于降低了后续工艺处理的成本，所以，在大生产中采用这种设备还是可行的由于没有刀具加工成本，所以激光切割设备也适用生产小批量的原先不能加工的各种尺寸的部件目前，激光切割设备通常采用计算机化数字控制技术（CNC）装置，采用该装置后，就可以利用线从计算机辅助设计〔CAD〕工作站来承受切割数据关键字激光、切割、切割技术、CO2激光切割、低成本、高质量、无污染激光技术广泛应用于金属和非金属的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量使得激光切割技术在工业加工上被广泛应用该技术采用激光束照射到钢板外表时释放的能量来使不锈钢熔化并蒸发激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率为500〜2500瓦该功率的水平比许多家用电暖气所需要的功率还低，但是通过透镜和反射镜，激光束聚集在很小的区域能量的高度集中能够进展迅速局部加热，使不锈钢蒸发止匕外，由于能量非常集中，所以仅有少量热传到钢材的其它局部，所造成的变形很小或没有变形利用寿命曲线上的其他高切割压力区由于距喷嘴出口太远，与聚焦光束难以匹配而无法采用综上所述C02激光器切割技术正在我国工业生产中得到越来越多的应用，国外正研究开发更高切割速度和更厚钢板的切割技术与装置为了满足工业生产对质量和生产效率越来越高的要求必须重视解决各种关键技术及执行质量标准，以使这一新技术在我国获得更广泛的应用激光切割的主要工艺汽化切割在高功率密度激光束的加热下，材料外表温度升至沸点温度的速度是如此之快，足以防止热传导造成的熔化，于是局部材料汽化成蒸汽消失，局部材料作为喷出物从切缝底部被辅助气体流吹走一些不能熔化的材料，如木材、碳素材料和某些塑料就是通过这种汽化切割方法切割成形的汽化切割过程中，蒸汽随身带走熔化质点和冲刷碎屑，形成孔洞汽化过程中，大约40%的材料化作蒸汽消失，而有60%的材料是以熔滴的形式被气流驱除的熔化切割当入射的激光束功率密度超过某一值后，光束照射点处材料内部开场蒸发，形成孔洞一旦这种小孔形成，它将作为黑体吸收所有的入射光束能量小孔被熔化金属壁所包围，然后，与光束同轴的辅助气流把孔洞周围的熔融材料带走随着工件移动，小孔按切割方向同步横移形成一条切缝激光束继续沿着这条缝的前沿照射，熔化材料持续或脉动地从缝内被吹走氧化熔化切割熔化切割一般使用惰性气体，如果代之以氧气或其它活性气体，材料在激光束的照射下被点燃，与氧气发生剧烈的化学反响而产生另一热源，称为氧化熔化切割具体描述如下〔1〕材料外表在激光束的照射下很快被加热到燃点温度，随之与氧气发生剧烈的燃烧反响，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，而小孔的周围为熔融的金属壁所包围〔2〕燃烧物质转移成熔渣控制氧和金属的燃烧速度，同时氧气扩散通过熔渣到达点火前沿的快慢也对燃烧速度有很大的影响氧气流速越高，燃烧化学反响和去除熔渣的速度也越快当然，氧气流速不是越高越好，因为流速过快会导致切缝出口处反响产物即金属氧化物的快速冷却，这对切割质量也是不利的〔3〕显然，氧化熔化切割过程存在着两个热源，即激光照射能和氧与金属化学反响产生的热能据估计，切割钢时，氧化反响放出的热量要占到切割所需全部能量的60%左右很明显，与惰性气体对比，使用氧作辅助气体可获得较高的切割速度4〕在拥有两个热源的氧化熔化切割过程中，如果氧的燃烧速度高于激光束的移动速度，割缝显得宽而粗糙如果激光束移动的速度比氧的燃烧速度快，则所得切缝狭而光滑控制断裂切割对于容易受热破坏的脆性材料，通过激光束加热进展高速、可控的切断，称为控制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要注意的是，这种控制断裂切割不适合切割锐角和角边切缝切割特大封闭外形也不容易获得成功控制断裂切割速度快，不需要太高的功率，否则会引起工件外表熔化，破坏切缝边缘其主要控制参数是激光功率和光斑尺寸大小综上所述，C02激光器切割技术正在我国工业生产中得到越来越多的应用，国外正研究开发更高切割速度和更厚钢板的切割技术与装置为了满足工业生产对质量和生产效率越来越高的要求，必须重视解决各种关键技术及执行质量标准，以使这一新技术在我国获得更广泛的应用虽然这个技术的应用面现在不是很广，但随着国家的开展，今后许多重工业都需要这门技术所以，这个技术现在不太吃香，可能以后15-20年吧，有时机得到大力开展用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料不必再作进一步的处理C02激光切割技术优点切割质量好切口宽度窄〔一般为

0.1—

0.5mmK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）切口外表粗糙度好（一般Ra为

12.5—25口m）切缝一般不需要再加工即可焊接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外表粗糙度而言C02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C02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C02激光切割技术在我国获得了较快的开展C02激光切割技术在工业上的应用世界第一台C02激光切割机是二十世纪七十年代在澳大利亚Farleylarlab公司诞生的三十多年来，由于应用领域的不断扩大C02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C02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、澳大利亚HGFarley-LaserLab公司，日本Amada公司、MAZAK公司、NTC公司、公司等目前国内能提供平板切割机的企业有武汉法利莱公司，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uIndustrialLaserSolution”2000年度报告统计1999年全世界共销售的激光切割系统1主要是C02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C02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C02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L5%o适合采用C02激光切割的产品归类目前适合采用C02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锁金件特别是轮廓形状复杂，批量不大一般厚度；12mm的低碳钢、；61nm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构造件、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、工程机械构造件、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

0.7〜

0.8mm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6〜9nlm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大于

0.3mm切割技术难度大，已有不少单位投入生产其他应用领域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/mino3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C02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关键技术C02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焦点位置控制技术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/cm2o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C02激光切割工业应用中广泛采用5〃〜

7.5〃〃127〜190mm的焦距实际焦点光斑直径在

0.TO.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、切割速度等因素原则上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C02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制喷嘴到材料外表距离standoff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二所示〔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14〕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基本方法[1）爆破穿孔（Blastdrilling）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[Pulsedrilling〕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C02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方法对比现实，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、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〔如图4〕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Pao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5因此其阈值Pn-lbarX（

1.2）

3.5=

1.89bar当喷嘴压力更高Pn/Pa=（l+l/n）l+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fLaval）喷嘴为方便制造可采用如图4的构造德国汉诺威大学激光中心使用500WC02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N

02、N

04、N05喷嘴在不同的氧气压力下，切口外表粗糙度Rz与切割速度Vc的函数关系从图中可以看出N02小孔喷嘴在Pn为400Kpa［或4bar）时切割速度只能到达

2.75m/min（碳钢板厚为2mm）N

04、N05二种拉伐尔喷嘴在Pn为500Kpa到600Kpa时切割速度可到达

3.5m/min和

5.5m/min应指出的是切割压力Pc还是工件与喷嘴距离的函数由于斜激波在气流的边界屡次反射使切割压力呈周期性的变化第一高切割压力区紧邻喷嘴出口，工件外表至喷嘴出口的距离约为

0.5~L5mm切割压力Pc大而稳定，是目前工业生产中切割手扳常用的工艺参数第二高切割压力区约为喷嘴出口的3〜

3.5nm切割压力Pc也较大，同样可以取得好的效果，并有利于保护透镜，提高其使。