導讀: CO2激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表麵使材料熔化,同時用與(yu) 激光束同軸的壓縮氣體(ti) 吹走被熔化的材料,並使激光束與(yu) 材料沿一定軌跡作相對運動,從(cong) 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麵使材料熔化,同時用與(yu) 激光束同軸的壓縮氣體(ti) 吹走被熔化的材料,並使激光束與(yu) 材料沿一定軌跡作相對運動,從(cong) 而形成一定形狀的切縫。隨著CO2激光器及數控技術的不斷完善和發展,目前已成為(wei) 工業(ye) 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麵使材料熔化,同時用與(yu) 激光束同軸的壓縮氣體(ti) 吹走被熔化的材料,並使激光束與(yu) 材料沿一定軌跡作相對運動,從(cong) 而形成一定形狀的切縫。從(cong) 二十世紀七十年代以來隨著CO2激光器及數控技術的不斷完善和發展,目前已成為(wei) 工業(ye) 上板材切割的一種先進的加工方法。在五、六十年代作為(wei) 板材下料切割的主要方法中：對於(yu) 中厚板采用氧乙炔火焰切割；對於(yu) 薄板采用剪床下料,成形複雜零件大批量的采用衝(chong) 壓,單件的采用振動剪。七十年代後,為(wei) 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(wei) 了減少大型衝(chong) 壓模具的製造周期,又發展了數控步衝(chong) 與(yu) 電加工技術。各種切割下料方法都有其有缺點,在工業(ye) 生產(chan) 中有一定的適用範圍。 

CO2激光切割技術比其他方法的明顯優(you) 點是：

（1）切割質量好。切口寬度窄（一般為(wei) 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）、切口表麵粗糙度好（一般Ra為(wei) 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(wei) 1.6m/min；2mm厚的不鏽鋼切割速度為(wei) 3.5m/min,熱影響區小,變形極小。

（3）清潔、安全、無汙染。大大改善了操作人員的工作環境。當然就精度和切口表麵粗糙度而言,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(you) 點足以證明：CO2激光切割已經和正在取代一部分傳(chuan) 統的切割工藝方法,特別是各種非金屬材料的切割。它是發展迅速,應用日益廣泛的一種先進加工方法。

九十年代以來,由於(yu) 我國社會(hui) 主義(yi) 市場經濟的發展,企業(ye) 間競爭(zheng) 激烈,每個(ge) 企業(ye) 必須根據自身條件正確選擇某些先進製造技術以提高產(chan) 品質量和生產(chan) 效率。因此CO2激光切割技術在我國獲得了較快的發展。

1. CO2激光切割的工業(ye) 應用

世界第一台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,由於(yu) 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(nei) 已有多家企業(ye) 從(cong) 事生產(chan) 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(ye) 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(ya) HG Laser Lab公司等。目前國內(nei) 能提供平板切割機的企業(ye) 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。根據美國激光工業(ye) 應用權威雜誌“Industrial Laser Solution”2000年度報告統計：1999年全世界共銷售的激光切割係統（主要是CO2激光切割係統）為(wei) 3325台,共11.74億(yi) 美元。據不完全統計我國目前每年生產(chan) CO2激光切割機(laser cutting)近100#p#分頁標題#e#台,共1.5億(yi) 元人民幣。雖然激光切割的發展趨勢較快,但應用水平與(yu) 發達國家相比差距較大。至2003年我國已在工業(ye) 生產(chan) 中使用的CO2激光切割係統累計已達500台左右,約占全世界正運行係統總量的1.5%。

CO2激光切割係統的購置者主要是兩(liang) 類

一類是大中型製造企業(ye) ,這些企業(ye) 生產(chan) 的產(chan) 品中有大量板材需要下料、切料,並且具有較強的經濟和技術實力；另一類是加工站（國外稱Job Shop）,加工站是專(zhuan) 門對外承接激光加工(laser oem)業(ye) 務的,自身無主導產(chan) 品。它的存在一方麵可滿足一些中小企業(ye) 加工的需要；一方麵在初期對推廣應用激光切割技術起到宣傳(chuan) 示範的作用。1999年美國全國共有激光加工(laser oem)站2700家,其中51%從(cong) 事激光切割工作。八十年代我國激光加工(laser oem)站主要從(cong) 事激光熱處理工作,九十年代後,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(ye) 體(ti) 製改革的深入和經濟實力的增強,越來越多的企業(ye) 將采用CO2激光切割技術。

從(cong) 目前國內(nei) 應用情況分析,CO2激光切割廣泛應用於(yu) <12mm厚的低碳鋼板、<6mm厚的不鏽鋼板及<20mm厚的非金屬材料。對於(yu) 三維空間曲線的切割,在汽車、航空工業(ye) 中也開始獲得了應用。目前適合采用CO2激光切割的產(chan) 品大體(ti) 上可歸納為(wei) 三類：

第一類：從(cong) 技術經濟角度不宜製造模具的金屬鈑金件,特別是輪廓形狀複雜,批量不大,一般厚度<12mm的低碳鋼、<6mm厚的不鏽鋼,以節省製造模具的成本與(yu) 周期。已采用的典型產(chan) 品有：自動電梯結構件、升降電梯麵板、機床及糧食機械外罩、各種電氣櫃、開關(guan) 櫃、紡織機械零件、工程機械結構件、大電機矽鋼片等。

第二類：裝飾、廣告、服務行業(ye) 用的不鏽鋼（一般厚度<3mm）或非金屬材料（一般厚度<20mm）的圖案、標記、字體(ti) 等。如藝術照相冊(ce) 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(ti) 。

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(ye) 用的模切版,它要求在20mm厚的木模板上切出縫寬為(wei) 0.7~0.8mm的槽,然後在槽中鑲嵌刀片。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(nei) 近年來應用的一個(ge) 新領域是石油篩縫管。為(wei) 了擋住泥沙進入抽油泵,在壁厚為(wei) 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(chan) 。

國外除上述應用外,還在不斷擴展其應用領域。

（1）采用三維激光切割係統或配置工業(ye) 機器人,切割空間曲線,開發各種三維切割軟件,以加快從(cong) 畫圖到切割零件的過程。

（2）為(wei) 了提高生產(chan) 效率,研究開發各種專(zhuan) 用切割係統,材料輸送係統,直線電機驅動係統等,目前切割係統的切割速度已超過100m/min。

（3）為(wei) 擴展工程機械、造船工業(ye) 等的應用,切割低碳鋼厚度已超過30mm,並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(ye) 應用領域,解決(jue) 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(guan) 鍵技術是光、機、電一體(ti) 化的綜合技術

激光束的參數、機器與(yu) 數控係統的性能和精度都直接影響激光切割的效率和質量。特別是對於(yu) 切割精度較高或厚度較大的零件,必須掌握和解決(jue) 以下幾項關(guan) 鍵技術：

1、   焦點位置控製技術：

激光切割的優(you) 點之一是光束的能量密度高,一般>10W/cm2。由於(yu) 能量密度與(yu) 4/πd2成正比,所以焦點光斑直徑盡可能的小,以便產(chan) 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(ye) 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。對於(yu) 高質量的切割,有效焦深還和透鏡直徑及被切材料有關(guan) 。例如用5〃的透鏡切碳鋼,焦深為(wei) 焦距的+2%範圍內(nei) ,即5mm左右。因此控製焦點相對於(yu) 被切材料表麵的位置十分重要。顧慮到切割質量、切割速度等因素原則上<6mm的金屬材料,焦點在表麵上；>6mm的碳鋼,焦點在表麵之上；>6mm的不鏽鋼,焦點在表麵之下。具體(ti) 尺寸由實驗確定。

在工業(ye) 生產(chan) 中確定焦點位置的簡便方法有三種：

（1）打印法：使切割頭從(cong) 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(wei) 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(wei) 焦點。

（3）藍色火花法：去掉噴嘴,吹空氣,將脈衝(chong) 激光打在不鏽鋼板上,使切割頭從(cong) 上往下運動,直至藍色火花最大處為(wei) 焦點。

對於(yu) 飛行光路的切割機,由於(yu) 光束發散角,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(wei) 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(nei) 外激光切割係統的製造商提供了一些專(zhuan) 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,擴束後的光束直徑變大,發散角變小,使在切割工作範圍內(nei) 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(yu) 控製噴嘴到材料表麵距離（stand off）的Z軸是兩(liang) 個(ge) 相互獨立的部分。當機床工作台移動或光軸移動時,光束從(cong) 近端到遠端F軸也同時移動,使光束聚焦後光斑直徑在整個(ge) 加工區域內(nei) 保持一致。(如圖1)

 

圖1

（3）控製聚焦鏡（一般為(wei) 金屬反射聚焦係統）的水壓。若聚焦前光束尺寸變小而使焦點光斑直徑變大時,自動控製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(chang) 光路係統。即當切割遠端光程增加時使補償(chang) 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(chang) 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,除少數情況可以從(cong) 板邊緣開始外,一般都必須在板上穿一小孔。早先在激光衝(chong) 壓複合機上是用衝(chong) 頭先衝(chong) 出一孔,然後再用激光從(cong) 小孔處開始進行切割。對於(yu) 沒有衝(chong) 壓裝置的激光切割機(laser cutting)有兩(liang) 種穿孔的基本方法：

（1）爆破穿孔：(Blast drilling)

材料經連續激光的照射後在中心形成一凹坑,然後由與(yu) 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(yu) 板厚有關(guan) ,爆破穿孔平均直徑為(wei) 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）,隻能用於(yu) 廢料上。此外由於(yu) 穿孔所用的氧氣壓力與(yu) 切割時相同,飛濺較大。

（2）脈衝(chong) 穿孔：（Pulse drilling）

采用高峰值功率的脈衝(chong) 激光使少量材料熔化或汽化,常用空氣或氮氣作為(wei) 輔助氣體(ti) ,以減少因放熱氧化使孔擴展,氣體(ti) 壓力較切割時的氧氣壓力小。每個(ge) 脈衝(chong) 激光隻產(chan) 生小的微粒噴射,逐步深入,因此厚板穿孔時間需要幾秒鍾。一旦穿孔完成,立即將輔助氣體(ti) 換成氧氣進行切割。這樣穿孔直徑較小,其穿孔質量優(you) 於(yu) 爆破穿孔。為(wei) 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。此外脈衝(chong) 穿孔還須要有較可靠的氣路控製係統,以實現氣體(ti) 種類、氣體(ti) 壓力的切換及穿孔時間的控製。

在采用脈衝(chong) 穿孔的情況下,為(wei) 了獲得高質量的切口,從(cong) 工件靜止時的脈衝(chong) 穿孔到工件等速連續切割的過渡技術應以重視。從(cong) 理論上講通常可改變加速段的切割條件：如焦距、噴嘴位置、氣體(ti) 壓力等,但實際上由於(yu) 時間太短改變以上條件的可能性不大。在工業(ye) 生產(chan) 中主要采用改變激光平均功率的辦法比較現實,具體(ti) 方法有以下三種：（1）改變脈衝(chong) 寬度；（2）改變脈衝(chong) 頻率；（3）同時改變脈衝(chong) 寬度和頻率。實際結果表明,第（3）種效果最好。

3.噴嘴設計及氣流控製技術：

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(cong) 而形成一個(ge) 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製直接影響切割質量外,噴嘴的設計及氣流的控製（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。由於(yu) 噴嘴一般用紫銅製造,體(ti) 積較小,是易損零件,需經常更換,因此不進行流體(ti) 力學計算與(yu) 分析。在使用時從(cong) 噴嘴側(ce) 麵通入一定壓力Pn(表壓為(wei) Pg)的氣體(ti) ,稱噴嘴壓力,從(cong) 噴嘴出口噴出,經一定距離到達工件表麵,其壓力稱切割壓力Pc,最後氣體(ti) 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。可用下列公式計算：
    　V=8.2d2(Pg+1)
    　V-氣體(ti) 流速       L/min
    　d-噴嘴直徑        mm
    　Pg-噴嘴壓力（表壓）bar

對於(yu) 不同的氣體(ti) 有不同的壓力閾值,當噴嘴壓力超過此值時,氣流為(wei) 正常斜激波,氣流速從(cong) 亞(ya) 音速向超音速過渡。此閾值與(yu) Pn、Pa比值及氣體(ti) 分子的自由度（n）兩(liang) 因素有關(guan) ：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為(wei) 正激波,切割壓力Pc下降,氣流速度減低,並在工件表麵形成渦流,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(wei) 進一步提高激光切割速度,可根據空氣動力學原理,在提高噴嘴壓力的前提下不產(chan) 生正激波,設計製造一種縮放型噴嘴,即拉伐爾（Laval）噴嘴。為(wei) 方便製造可采用如圖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,切口表麵粗糙度Rz與(yu) 切割速度Vc#p#分頁標題#e#的函數關(guan) 係。從(cong) 圖中可以看出NO2小孔噴嘴在Pn為(wei) 400Kpa（或4bar）時切割速度隻能達到2.75m/min（碳鋼板厚為(wei) 2mm）。NO4、NO5二種拉伐爾噴嘴在Pn為(wei) 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(yu) 噴嘴距離的函數。由於(yu) 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

第一高切割壓力區緊鄰噴嘴出口,工件表麵至噴嘴出口的距離約為(wei) 0.5~1.5mm,切割壓力Pc大而穩定,是目前工業(ye) 生產(chan) 中切割手扳常用的工藝參數。第二高切割壓力區約為(wei) 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,並有利於(yu) 保護透鏡,提高其使用壽命。曲線上的其他高切割壓力區由於(yu) 距噴嘴出口太遠,與(yu) 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(ye) 生產(chan) 中得到越來越多的應用,國外正研究開發更高切割速度和更厚鋼板的切割技術與(yu) 裝置。為(wei) 了滿足工業(ye) 生產(chan) 對質量和生產(chan) 效率越來越高的要求,必須重視解決(jue) 各種關(guan) 鍵技術及執行質量標準,以使這一新技術在我國獲得更廣泛的應用。