CO2激光切割工业应用及其关键技术.doc

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。

根据美国激光工业应用权威杂志 “Industrial 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 JobShop）,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CO2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6〜9mm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/min3) 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/nd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〃〞 (127〜190m m)的焦距。

实际焦点光斑直径在0.1〜0.4mm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：⑴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：⑴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⑵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)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表面，其压力称切割压力Pc,。