導讀: CO2激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料,并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動,從而形成一定形狀的切縫。

CO2激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料,并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動,從而形成一定形狀的切縫。隨著CO2激光器及數(shù)控技術的不斷完善和發(fā)展,目前已成為工業(yè)上板材切割的一種先進的加工方法。

一、引言

CO2激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料,并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動,從而形成一定形狀的切縫。從二十世紀七十年代以來隨著CO2激光器及數(shù)控技術的不斷完善和發(fā)展,目前已成為工業(yè)上板材切割的一種先進的加工方法。在五、六十年代作為板材下料切割的主要方法中：對于中厚板采用氧乙炔火焰切割；對于薄板采用剪床下料,成形復雜零件大批量的采用沖壓,單件的采用振動剪。七十年代后,為了改善和提高火焰切割的切口質量,又推廣了氧乙烷精密火焰切割和等離子切割。為了減少大型沖壓模具的制造周期,又發(fā)展了數(shù)控步?jīng)_與電加工技術。各種切割下料方法都有其有缺點,在工業(yè)生產(chǎn)中有一定的適用范圍。 

CO2激光切割技術比其他方法的明顯優(yōu)點是：

（1）切割質量好。切口寬度窄（一般為0.1--0.5mm）、精度高（一般孔中心距誤差0.1--0.4mm,輪廓尺寸誤差0.1--0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般Ra為12.5--25μm）,切縫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厚的碳鋼切割速度為1.6m/min；2mm厚的不銹鋼切割速度為3.5m/min,熱影響區(qū)小,變形極小。

（3）清潔、安全、無污染。大大改善了操作人員的工作環(huán)境。當然就精度和切口表面粗糙度而言,CO2激光切割不可能超過電加工；就切割厚度而言難以達到火焰和等離子切割的水平。但是就以上顯著的優(yōu)點足以證明：CO2激光切割已經(jīng)和正在取代一部分傳統(tǒng)的切割工藝方法,特別是各種非金屬材料的切割。它是發(fā)展迅速,應用日益廣泛的一種先進加工方法。

九十年代以來,由于我國社會主義市場經(jīng)濟的發(fā)展,企業(yè)間競爭激烈,每個企業(yè)必須根據(jù)自身條件正確選擇某些先進制造技術以提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率。因此CO2激光切割技術在我國獲得了較快的發(fā)展。

1. CO2激光切割的工業(yè)應用

世界第一臺CO2激光切割機(laser cutting)是二十世紀七十年代的誕生的。三十多年來,由于應用領域的不斷擴大,CO2激光切割機(laser cutting)不斷改進,目前國際國內已有多家企業(yè)從事生產(chǎn)各種CO2激光切割機(laser cutting)以滿足市場的需求,有二維平板切割機、三維空間曲線切割機、管子切割機等。國外知名企業(yè)有德國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、澳大利亞HG Laser Lab公司等。目前國內能提供平板切割機的企業(yè)有上海團結普瑞瑪公司、沈陽普瑞瑪公司、濟南捷邁公司、武漢楚天公司等。根據(jù)美國激光工業(yè)應用權威雜志“Industrial Laser Solution”2000年度報告統(tǒng)計：1999年全世界共銷售的激光切割系統(tǒng)（主要是CO2激光切割系統(tǒng)）為3325臺,共11.74億美元。據(jù)不完全統(tǒng)計我國目前每年生產(chǎn)CO2激光切割機(laser cutting)近100#p#分頁標題#e#臺,共1.5億元人民幣。雖然激光切割的發(fā)展趨勢較快,但應用水平與發(fā)達國家相比差距較大。至2003年我國已在工業(yè)生產(chǎn)中使用的CO2激光切割系統(tǒng)累計已達500臺左右,約占全世界正運行系統(tǒng)總量的1.5%。

CO2激光切割系統(tǒng)的購置者主要是兩類

一類是大中型制造企業(yè),這些企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品中有大量板材需要下料、切料,并且具有較強的經(jīng)濟和技術實力；另一類是加工站（國外稱Job Shop）,加工站是專門對外承接激光加工(laser oem)業(yè)務的,自身無主導產(chǎn)品。它的存在一方面可滿足一些中小企業(yè)加工的需要；一方面在初期對推廣應用激光切割技術起到宣傳示范的作用。1999年美國全國共有激光加工(laser oem)站2700家,其中51%從事激光切割工作。八十年代我國激光加工(laser oem)站主要從事激光熱處理工作,九十年代后,激光切割及攻站逐步增加。在此基礎上隨著我國大中型企業(yè)體制改革的深入和經(jīng)濟實力的增強,越來越多的企業(yè)將采用CO2激光切割技術。

從目前國內應用情況分析,CO2激光切割廣泛應用于<12mm厚的低碳鋼板、<6mm厚的不銹鋼板及<20mm厚的非金屬材料。對于三維空間曲線的切割,在汽車、航空工業(yè)中也開始獲得了應用。目前適合采用CO2激光切割的產(chǎn)品大體上可歸納為三類：

第一類：從技術經(jīng)濟角度不宜制造模具的金屬鈑金件,特別是輪廓形狀復雜,批量不大,一般厚度<12mm的低碳鋼、<6mm厚的不銹鋼,以節(jié)省制造模具的成本與周期。已采用的典型產(chǎn)品有：自動電梯結構件、升降電梯面板、機床及糧食機械外罩、各種電氣柜、開關柜、紡織機械零件、工程機械結構件、大電機硅鋼片等。

第二類：裝飾、廣告、服務行業(yè)用的不銹鋼（一般厚度<3mm）或非金屬材料（一般厚度<20mm）的圖案、標記、字體等。如藝術照相冊的圖案,公司、單位、賓館、商場的標記,車站、碼頭、公共場所的中英文字體。

第三類：要求均勻切縫的特殊零件。最廣泛應用的典型零件是包裝印刷行業(yè)用的模切版,它要求在20mm厚的木模板上切出縫寬為0.7~0.8mm的槽,然后在槽中鑲嵌刀片。使用時裝在模切機上,切下各種已印刷好圖形的包裝盒。國內近年來應用的一個新領域是石油篩縫管。為了擋住泥沙進入抽油泵,在壁厚為6~9mm的合金鋼管上切出<0.3mm寬的均勻切縫,起割穿孔處小孔直徑不能>0.3mm,切割技術難度大,已有不少單位投入生產(chǎn)。

國外除上述應用外,還在不斷擴展其應用領域。

（1）采用三維激光切割系統(tǒng)或配置工業(yè)機器人,切割空間曲線,開發(fā)各種三維切割軟件,以加快從畫圖到切割零件的過程。

（2）為了提高生產(chǎn)效率,研究開發(fā)各種專用切割系統(tǒng),材料輸送系統(tǒng),直線電機驅動系統(tǒng)等,目前切割系統(tǒng)的切割速度已超過100m/min。

（3）為擴展工程機械、造船工業(yè)等的應用,切割低碳鋼厚度已超過30mm,并特別注意研究用氮氣切割低碳鋼的工藝技術,以提高切割厚板的切口質量。因此在我國擴大CO2激光切割的工業(yè)應用領域,解決新的應用中一些技術難題仍然是工程技術人員的重要課題。

#p#分頁標題#e#三、CO2激光切割的幾項關鍵技術是光、機、電一體化的綜合技術

激光束的參數(shù)、機器與數(shù)控系統(tǒng)的性能和精度都直接影響激光切割的效率和質量。特別是對于切割精度較高或厚度較大的零件,必須掌握和解決以下幾項關鍵技術：

1、   焦點位置控制技術：

激光切割的優(yōu)點之一是光束的能量密度高,一般>10W/cm2。由于能量密度與4/πd2成正比,所以焦點光斑直徑盡可能的小,以便產(chǎn)生一窄的切縫；同時焦點光斑直徑還和透鏡的焦深成正比。聚焦透鏡焦深越小,焦點光斑直徑就越小。但切割有飛濺,透鏡離工件太近容易將透鏡損壞,因此一般大功率CO2激光切割工業(yè)應用中廣泛采用5〃~7.5〃(127~190mm)的焦距。實際焦點光斑直徑在0.1~0.4mm之間。對于高質量的切割,有效焦深還和透鏡直徑及被切材料有關。例如用5〃的透鏡切碳鋼,焦深為焦距的+2%范圍內,即5mm左右。因此控制焦點相對于被切材料表面的位置十分重要。顧慮到切割質量、切割速度等因素原則上<6mm的金屬材料,焦點在表面上；>6mm的碳鋼,焦點在表面之上；>6mm的不銹鋼,焦點在表面之下。具體尺寸由實驗確定。

在工業(yè)生產(chǎn)中確定焦點位置的簡便方法有三種：

（1）打印法：使切割頭從上往下運動,在塑料板上進行激光束打印,打印直徑最小處為焦點。

（2）斜板法：用和垂直軸成一角度斜放的塑料板使其水平拉動,尋找激光束的最小處為焦點。

（3）藍色火花法：去掉噴嘴,吹空氣,將脈沖激光打在不銹鋼板上,使切割頭從上往下運動,直至藍色火花最大處為焦點。

對于飛行光路的切割機,由于光束發(fā)散角,切割近端和遠端時光程長短不同,聚焦前的光束尺寸有一定差別。入射光束的直徑越大,焦點光斑的直徑越小。為了減少因聚焦前光束尺寸變化帶來的焦點光斑尺寸的變化,國內外激光切割系統(tǒng)的制造商提供了一些專用的裝置供用戶選用：

（1）平行光管。這是一種常用的方法,即在CO2激光器的輸出端加一平行光管進行擴束處理,擴束后的光束直徑變大,發(fā)散角變小,使在切割工作范圍內近端和遠端聚焦前光束尺寸接近一致。

（2）在切割頭上增加一獨立的移動透鏡的下軸,它與控制噴嘴到材料表面距離（stand off）的Z軸是兩個相互獨立的部分。當機床工作臺移動或光軸移動時,光束從近端到遠端F軸也同時移動,使光束聚焦后光斑直徑在整個加工區(qū)域內保持一致。(如圖1)

 

圖1

（3）控制聚焦鏡（一般為金屬反射聚焦系統(tǒng)）的水壓。若聚焦前光束尺寸變小而使焦點光斑直徑變大時,自動控制水壓改變聚焦曲率使焦點光斑直徑變小。

（4）飛行光路切割機上增加x、y方向的補償光路系統(tǒng)。即當切割遠端光程增加時使補償光路縮短；反之當切割近端光程減小時,#p#分頁標題#e#使補償光路增加,以保持光程長度一致。

2.切割穿孔技術：

任何一種熱切割技術,除少數(shù)情況可以從板邊緣開始外,一般都必須在板上穿一小孔。早先在激光沖壓復合機上是用沖頭先沖出一孔,然后再用激光從小孔處開始進行切割。對于沒有沖壓裝置的激光切割機(laser cutting)有兩種穿孔的基本方法：

（1）爆破穿孔：(Blast drilling)

材料經(jīng)連續(xù)激光的照射后在中心形成一凹坑,然后由與激光束同軸的氧流很快將熔融材料去除形成一孔。一般孔的大小與板厚有關,爆破穿孔平均直徑為板厚的一半,因此對較厚的板爆破穿孔孔徑較大,且不圓,不宜在要求較高的零件上使用（如石油篩縫管）,只能用于廢料上。此外由于穿孔所用的氧氣壓力與切割時相同,飛濺較大。

（2）脈沖穿孔：（Pulse drilling）

采用高峰值功率的脈沖激光使少量材料熔化或汽化,常用空氣或氮氣作為輔助氣體,以減少因放熱氧化使孔擴展,氣體壓力較切割時的氧氣壓力小。每個脈沖激光只產(chǎn)生小的微粒噴射,逐步深入,因此厚板穿孔時間需要幾秒鐘。一旦穿孔完成,立即將輔助氣體換成氧氣進行切割。這樣穿孔直徑較小,其穿孔質量優(yōu)于爆破穿孔。為此所使用的激光器不但應具有較高的輸出功率；更重要的時光束的時間和空間特性,因此一般橫流CO2激光器不能適應激光切割的要求。此外脈沖穿孔還須要有較可靠的氣路控制系統(tǒng),以實現(xiàn)氣體種類、氣體壓力的切換及穿孔時間的控制。

在采用脈沖穿孔的情況下,為了獲得高質量的切口,從工件靜止時的脈沖穿孔到工件等速連續(xù)切割的過渡技術應以重視。從理論上講通?？筛淖兗铀俣蔚那懈顥l件：如焦距、噴嘴位置、氣體壓力等,但實際上由于時間太短改變以上條件的可能性不大。在工業(yè)生產(chǎn)中主要采用改變激光平均功率的辦法比較現(xiàn)實,具體方法有以下三種：（1）改變脈沖寬度；（2）改變脈沖頻率；（3）同時改變脈沖寬度和頻率。實際結果表明,第（3）種效果最好。

3.噴嘴設計及氣流控制技術：

激光切割鋼材時,氧氣和聚焦的激光束是通過噴嘴射到被切材料處,從而形成一個氣流束。對氣流的基本要求是進入切口的氣流量要大,速度要高,以便足夠的氧化使切口材料充分進行放熱反應；同時又有足夠的動量將熔融材料噴射吹出。因此除光束的質量及其控制直接影響切割質量外,噴嘴的設計及氣流的控制（如噴嘴壓力、工件在氣流中的位置等）也是十分重要的因素。

目前激光切割用的噴嘴采用簡單的結構,即一錐形孔帶端部小圓孔。通常用實驗和誤差方法進行設計。由于噴嘴一般用紫銅制造,體積較小,是易損零件,需經(jīng)常更換,因此不進行流體力學計算與分析。在使用時從噴嘴側面通入一定壓力Pn(表壓為Pg)的氣體,稱噴嘴壓力,從噴嘴出口噴出,經(jīng)一定距離到達工件表面,其壓力稱切割壓力Pc,最后氣體膨脹到大氣壓力Pa。研究工作表明隨著Pn的增加,氣流流速增加,Pc也不斷增加?？捎孟铝泄接嬎悖?/font>
    　V=8.2d2(Pg+1)
    　V-氣體流速       L/min
    　d-噴嘴直徑        mm
    　Pg-噴嘴壓力（表壓）bar

 

對于不同的氣體有不同的壓力閾值,當噴嘴壓力超過此值時,氣流為正常斜激波,氣流速從亞音速向超音速過渡。此閾值與Pn、Pa比值及氣體分子的自由度（n）兩因素有關：如氧氣、空氣的n=5,因此其閾值Pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar。當噴嘴壓力更高Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2時（Pn>4bar）,氣流正常斜激波封變?yōu)檎げ?span lang="EN-US">,切割壓力Pc下降,氣流速度減低,并在工件表面形成渦流,削弱了氣流去除熔融材料的作用,影響了切割速度。因此采用錐孔帶端部小圓孔的噴嘴,其氧氣的噴嘴壓力常在3bar以下。

為進一步提高激光切割速度,可根據(jù)空氣動力學原理,在提高噴嘴壓力的前提下不產(chǎn)生正激波,設計制造一種縮放型噴嘴,即拉伐爾（Laval）噴嘴。為方便制造可采用如圖2的結構。德國漢諾威大學激光中心使用500WCO2激光器,透鏡焦距2.5〃,采用小孔噴嘴和拉伐爾噴嘴分別作了試驗。試驗結果如所示：分別表示NO2、NO4、NO5噴嘴在不同的氧氣壓力下,切口表面粗糙度Rz與切割速度Vc#p#分頁標題#e#的函數(shù)關系。從圖中可以看出NO2小孔噴嘴在Pn為400Kpa（或4bar）時切割速度只能達到2.75m/min（碳鋼板厚為2mm）。NO4、NO5二種拉伐爾噴嘴在Pn為500Kpa到600Kpa時切割速度可達到3.5m/min和5.5m/min。應指出的是切割壓力Pc還是工件與噴嘴距離的函數(shù)。由于斜激波在氣流的邊界多次反射,使切割壓力呈周期性的變化。

 

圖2

第一高切割壓力區(qū)緊鄰噴嘴出口,工件表面至噴嘴出口的距離約為0.5~1.5mm,切割壓力Pc大而穩(wěn)定,是目前工業(yè)生產(chǎn)中切割手扳常用的工藝參數(shù)。第二高切割壓力區(qū)約為噴嘴出口的3~3.5mm,切割壓力Pc也較大,同樣可以取得好的效果,并有利于保護透鏡,提高其使用壽命。曲線上的其他高切割壓力區(qū)由于距噴嘴出口太遠,與聚焦光束難以匹配而無法采用。

綜上所述,CO2激光器切割技術正在我國工業(yè)生產(chǎn)中得到越來越多的應用,國外正研究開發(fā)更高切割速度和更厚鋼板的切割技術與裝置。為了滿足工業(yè)生產(chǎn)對質量和生產(chǎn)效率越來越高的要求,必須重視解決各種關鍵技術及執(zhí)行質量標準,以使這一新技術在我國獲得更廣泛的應用。