激光切割基础知识.pdf

HM 收集 1激光切割加工基础知识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、机床结构二、机床结构 SLCF-X15×40F数控激光切割机是意大利普瑞玛（PRIMA）工业公司的主导机 型——悬臂式飞行光路结构的激光切割机，加工板材尺寸为1500×4000毫米，配 有交换工作台 （一）（一） 该机型的主要特点如下：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PM—400V2.0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 1234561—激光器；2—激光束； 3—全反射棱镜；4—聚焦物镜 5—工件；6—工作台HM 收集 2（二）机床的结构主要由以下几部分组成：（二）机床的结构主要由以下几部分组成： 1、床身、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、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 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、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 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和动态控制功能 5、激光控制柜、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、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，以利于高压单元将能量传给气体 7、冷却设备、冷却设备 冷却激光器、激光气体和光路系统 8、除尘装置、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、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） HM 收集 3（三）设备的技术参数（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*4000 mm 2 X轴行程 4000 mm 3 Y轴行程 1500 mm 4 Z轴行程 100 mm 5 X、Y轴定位精度 ±0.03 mm/m 6 X、Y轴重复定位精度 ±0.03 mm 7 X、Y轴最大定位速度 100 m/min 8 切割工作台最大载重 750 kg 9 切割碳钢最大厚度 18-20 mm 10 切割不锈钢最大厚度 8-10 mm 11 切割铝板最大厚度 5-6 mm 12 真空悬臂吊最大载重 500 kg （四）（四）ROFIN 3000W CO2激光发生器技术参数激光发生器技术参数 表2：激光器技术参数 激光束特性激光束特性 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） K＞0.9 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、气、冷却 电能消耗（千伏安） 380V±10%，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 HM 收集 4三、切割方法三、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 序号序号 切割方法切割方法 对应切割材料对应切割材料 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、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、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、气化切割 激光束焦点处功率密度非常高，可达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。

HM 收集 54、导向断裂切割、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、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． HM 收集 6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、激光切割的特点五、激光切割的特点 1、激光切割的切缝窄，工件变、激光切割的切缝窄，工件变形小形小 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。