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激光加工工艺培训

CO2激光切割工业应用及其关键技术

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。

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。

   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辅助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0.1--0.4mm,轮廓尺寸误差0.1--0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般Ra为12.5--25μm）,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、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>100W/cm2。

由于能量密度与4/πd2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〃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；不锈钢,焦点在表面之下。

具体尺寸由实验确定。

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：

（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）。

此外由于穿孔所用的氧气压力与切割时相同,飞溅较大。

一般碳钢板大于12MM采用

（2）脉冲穿孔：

（Pulsedrilling）

   采用高峰值功率的脉冲激光使少量材料熔化或汽化,常用氧气作为辅助气体,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（占空比）；

（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。

切割质量

一旦开始进行切割，优化切割效果是很有必要的。

这里只提供给初学者一些基本的指导。

判断切割质量依赖于操作者的经验，但你可以很快知道一些有关的标记。

有四个主要的影响切割质量的因素，他们在切割的过程中可以进行调整，经常重新设置参数是很正常的。

1.切割速度用切割速度旋钮调整机器的实际的切割速度；程序中的进给率大多数是根据编程者推测的近似值。

通常情况下，最佳的速度依赖于工件的厚度（原材料的厚度）。

对很多材料来说，允许切割速在一定范围内变化：

如果速度太快，可能穿不透材料（切割产生的废渣将会向上飞溅，而不从工件的下面漏出。

）如果切割速度太慢，材料会出现过热，在切割区附近将会出现不可接受的热影响区。

2.聚焦高度（离焦量）聚焦高度电位计可以精细的调整切割喷嘴到工件表面的距离。

在绝大多数情况下，光束的焦点应该正好在喷嘴下，刚好在工件的表面或稍下面一点的位置。

一般情况下，喷嘴离工件表面大约1毫米。

焦点的最好位置应该根据透镜的热效应稍微有所变动，最佳位置还依赖于材料的性质（如材料对激光的反射率）；所以你应该时不时的对这些参数作一些微小的调整。

在聚焦高度做优化后，切割的宽度将会最小，效率最高，在保证切割质量的前提下允许的切割速度也最大。

3.辅助气体辅助气体的气压在切割的过程中，对切割的结果也有显著影响。

辅助气体必须要有足够的压力以便能够彻底清出切割产生的废渣，一般在切割厚一点的工件时气压要减小一点。

粘到工件上的残渣将会破坏切割边缘。

相反，过多的气流会引起过反应（特别是氧气作辅助气体的金属切割），不管怎么样都会引起浪费。

在切割塑料制品时，小于25千帕斯卡的气压可以防止在切割边缘结成不光泽表面。

但是，必须保证有一定的气流带走透镜的热量，以保护透镜不被污染（被烟气等污染），并避免只是对材料进行加热或烧蚀而不切割。

辅气选择和气压设定

安装与聚焦光束同轴的辅气是用来保护透镜和对材料去除处理起辅助作用的。

也就是说，压缩气体或惰性气体是用来使非铁性材料在切割过程中去除熔化和蒸发材料并尽量减少燃烧发生的可能性。

对大多数铁性材料的切割，可采用活性气体来加速热反应过程。

此外，对气体的不同种类还需仔细考虑其压力大小。

高速切割薄板材料时喷气嘴采用的典型压力值为150－300kPa，用来防止在切割面背面形成熔渣。

如果材料厚度增加或是加工速度减小则吹气压也随之减小。

这是由于随着材料的增厚，功率增加，切割点的多余热量增加，大量的热伴随着大量的氧气则会形成热反应，造成失控或燃烧或材料中出现吹洞。

切割12mm厚的铁板通常仅需60－100kPa。

下面给出了某些材料切割时所采用的辅气例子：

含碳钢氧气

镀碳钢氧气或空气

不锈钢氧气或高压氮气

塑料空气

木材空气

钛氩气

4.激光功率激光功率很显然会影响切割效果，同时它在一定程度上依赖与切割的速度，影响切割材料的能力（取决于厚度）。

实际上，通常设置成最大功率，但是你应该考虑激光光束的模式质量（它的横截面的能量分布情况），它会随着功率的增加而变差。

有时焦点上功率密度最高的时候，激光功率并不一定最高。

采用保守一些的设置可能会取得最好的切割效果。

激光器特性并不会一直不变，而是会由于激光器的使用寿命，光学部件的状况和激光气体的混合比和流量，而影响光束的模式。

如果在某一阶段，切割质量显著变坏，首先要检查上述的参数，其它的引起切割质量变坏的因素通常都是微不足道的。

1.清洗透镜：

透镜上的污染物的积累将会导致透镜的过热，产生一个模糊的焦点（当然也会危害透镜本身）。

A透镜的选择

与FarleyLaserLab系列产品配套的推荐透镜为硒化锌制成且其两面均镀特殊的增透膜。

由激光器发出的原始激光通过透镜后会聚到焦点再向周围发散（参见图47）。

透镜的选择

一套性能良好的透镜会将一无发散角的光束聚焦成无限小的光斑。

但由于批量生产问题，透镜的光学质量不可能完好，而激光束存在一定的发散角，因此聚焦光斑有一定尺寸，此尺寸正比于透镜焦距和激光光束的发散角。

2.5英寸焦距的透镜得到的光斑比5.0英寸焦距的透镜小，因此可获得较高的功率密度，但其焦深比较小，因此透镜的焦距的选择取决于预切割材料的厚度和类型。

一般来讲，5.0英寸焦距的透镜可适用于各种用途，而2.5英寸焦距的透镜则仅用于切割很薄的材料或是切割速度要求较高时。

7.5英寸透镜仅用于切割厚材（碳钢板>10mm和不锈钢），此时要求厚木板的切割边缘要非常平直。

2.喷嘴的完整性：

如果喷嘴孔不是一个规则的环形或者部分被堵塞（通常是由金属屑的飞溅物引起的），将会引起辅助气体的扰动，切割性能明显改变。

3.喷嘴/光束的调整：

聚焦光束必须要与喷嘴孔同轴，否则，激光光束将会被喷嘴挡住一部分。

透镜的侧向位置由调节旋钮（在切割头的下部分）来调整，它是镜头安装模块。

该调节旋钮作用于透镜上.

4.外部光路调整：

各式各样的光束传输镜（激光器以外的）需要经常进行调整。

当切割头在工作区移动时，激光光束必须通过透镜的中心。

如果不做好外部传输镜的清洁工作或者冷却，可能会引起光学器件发热，导致光学系统偏离方向。

5.激光光束的模式质量：

激光模式的改变和激光器功率的改变都会给切割质量造成影响。

你可以在必要的时候对激光器的内部光路进行调整。

可以寻找一些简单的方法，例如，改变激光器辅助气体的混合率。

参见激光器产品说明手册。

程序解析：

一般用编程软件生成的程序后缀都是（.MPF）格式的。

下面就程序的大概意思进行解释。

MATERIAL="mildsteel"材质

THICKNESS=4.00材料的厚度

CLASS="standard"等级

QUALITY="standard"质量fine,fast,clean

CUSTOMER="aluminium"

ORDER="aluminium"

PARTNUMBER="aluminium"

DATEOFPROCESSING=""

TIMEOFPROCESSING="WedFeb2514:

06:

242009"

QTY=45

ESTIMATEDCUTTIME=1234

STARTCNC设定用户零点坐标

METRIC公制单位

G90走刀路径是采用绝对值的形式

SHUTTEROPEN光闸打开

GOTOF"N"<

N1R70=1第一个加工位置

G00X0.00Y0.00以G0的速度快速定位

BEAMON调用专家数据库的子程序

G41刀具补偿（左刀补）

G01X0.00Y5.58直线插补（进行直线切割）

G02X-2.23Y6.79I2.36J7.03顺时针圆弧插补（切割顺时针的圆或圆弧）

G02X-3.85Y8.38I13.89J15.68

G02X-5.91Y11.15I12.56J11.51

G02X-7.12Y13.51I19.88J11.69

G02X-8.30Y16.41I58.72J25.63

G01X-11.00Y16.41

G03X-11.38Y15.88I0.00J-0.40逆时针圆弧插补（逆时针圆或圆弧切割）

G01X-6.48Y1.69

G03X-4.94Y-1.44I11.48J3.70

G03X-2.83Y-3.65I7.76J5.32

G03X0.05Y-4.97I4.66J6.34

G03X2.27Y-5.20I2.00J8.43

G01X52.70Y-4.91

G03X63.70Y-1.94I-0.13J22.37

G03X63.67Y2.65I-1.31J2.29

G03X52.63Y5.49I-10.92J-19.58

G01X2.21Y5.20

G02X0.00Y5.58I0.15J7.41

G01X0.00Y5.10

BEAMOFF关闭专家数据库子程序

G40取消刀具补偿

SHUTTERCLOSE光闸关闭

RETRACT切割头回缩

M2程序结束

以上图示为简单的程序编制方法图。

定位或插补的线段或圆弧后面的X、Y坐标值都是该直线或圆弧的终点坐标。

上面的程序为：

G03X0Y300I-212.13J212.76

程序中I和J是通过圆弧的起点指向圆心后，以圆心为新的零点建立新的坐标系，该矢量值在新坐标系X、Y的分量所得，符号是以该分量的矢量方向来确定，以坐标方向一致的置正值，相反则置负值。