激光切割機關鍵技術

　　激光切割機關鍵技術

激光切割技術有兩種： 一種是脈衝激光適用於金屬資料。第二種是連續激光適用於非金屬資料
，後者是激光切割技術的重要應用範疇。

激光切割機的幾項關鍵技術是光

、機、電一體化的綜合技術。在激光切割機中激光束的參數、機器與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。特別是關於切割精度較高或厚度較大的零件,必需控製和處理以下幾項關鍵技術：

焦點位置控製技術

激光切割的優點之一是光束的能量密度高,普通10W/cm2。由於能量密度與麵積成反比
，所以焦點光斑直徑盡可能的小
，以便產生一窄的切縫；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，因而普通大功率CO2激光切割機工業應用中普遍采用5〃~7.5〃〞(127~190mm)的焦距。實踐焦點光斑直徑在0.1~0.4mm之間。關於高質量的切割,有效焦深還和透鏡直徑及被切資料有關。例如用5〃的透鏡切碳鋼,焦深為焦距的+2%範圍內,即5mm左右。因而控製焦點相關於被切資料外表的位置非常重要。顧忌到切割質量
、切割速度等要素,準繩上6mm的金屬資料,焦點在外表上
； 6mm的碳鋼,焦點在外表之上
； 6mm的不鏽鋼,焦點在外表之下。詳細尺寸由實驗肯定。

在工業消費中肯定焦點位置的煩瑣辦法有三種：

（1）打印法：使切割頭從上往下運動,在塑料板上停止激光束打印,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程度拉動,尋覓激光束的最小處為焦點。

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

關於飛行光路的切割機,由於光束發散角,切割近端和遠端光陰程長短不同,聚焦前的光束尺寸有一定差異。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,國內外激光切割係統的製造商提供了一些專用的安裝供用戶選用：

（1）平行光管。這是一種常用的辦法,即在CO2激光器的輸出端加一平行光管停止擴束處置,擴束後的光束直徑變大,發散角變小,使在切割工作範圍內近端和遠端聚焦前光束尺寸接近分歧。

（2）在切割頭上增加一獨立的挪動透鏡的下軸,它與控製噴嘴到資料外表間隔（stand off）的Z軸是兩個互相獨立的局部。當機床工作台挪動或光軸挪動時,光束從近端到遠端F軸也同時挪動,使光束聚焦後光斑直徑在整個加工區域內堅持分歧。如圖二所示。

（3）控製聚焦鏡（普通為金屬反射聚焦係統）的水壓。若聚焦前光束尺寸變小而使焦點光斑直徑變大時,自動控製水壓改動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方向的補償光路係統。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,使補償光路增加,以堅持光程長度分歧。

主要參數

X,Y工作範圍：1300mm*2500mm

切割聚焦鏡頭：F=80mm

最大激光輸出功率：500W

調繼衝頻率：$300Hz

電源脈衝寬度：0.5ms-2ms

激光器：雙燈鍍金聚光腔

切割接口卡：CNC 3000控製卡

切割軟件：順應PLT,DXF等格式

製冷功率：4W

反複定位精度：±0.03/300mm

空程速度：0-20000mm/min

切割速度：0-15000mm/min

切割質量

切割精度是判別數控激光切割機質量好壞的第一要素。影響數控激光切割機的切割精度的四大要素：

1
、jiguangfazuoqidejiguangningjudedaxiao。huijizhihoujiaruguangbanshifenxiao，zeqiegejingdushifengao，yaoshiqiegezhihoudefengxiyeshifenxiao。zechanmingjiguangqiegejidejingdushifenzhigao
，zhiliangzeshifengao。danjiguangqifachudeguangshuweizhuixing，suoyiqiechulaidefengxiyeshizhuixing。zhezhongtiaojianxia，gongjianhouduyueda，jingduyejiuhuiyuedi
，yinerqiefengyueda。

2
、工gong作zuo台tai的de精jing度du。工gong作zuo台tai的de精jing度du假jia如ru十shi分fen高gao，則ze讓rang切qie割ge的de精jing度du也ye隨sui之zhi進jin步bu。因yin而er工gong作zuo台tai的de精jing度du也ye是shi權quan衡heng激ji光guang發fa作zuo器qi精jing度du的de一yi個ge十shi分fen重zhong要yao的de要yao素su。

3
、激(ji)光(guang)光(guang)束(shu)凝(ning)聚(ju)成(cheng)錐(zhui)形(xing)。切(qie)割(ge)時(shi)，激(ji)光(guang)光(guang)束(shu)是(shi)以(yi)錐(zhui)形(xing)向(xiang)下(xia)的(de)，這(zhe)時(shi)假(jia)如(ru)切(qie)割(ge)的(de)工(gong)件(jian)的(de)厚(hou)度(du)十(shi)分(fen)大(da)，切(qie)割(ge)的(de)精(jing)度(du)就(jiu)會(hui)降(jiang)低(di)
，則(ze)切(qie)出(chu)來(lai)的(de)縫(feng)隙(xi)就(jiu)會(hui)十(shi)分(fen)大(da)。

4、qiegedeziliaobutong，yehuiyingxiangdaojiguangqiegejidejingdu。zaitongyangdezhuangkuangxia，qiegebuxiugangheqiegelvqijingdujiuhuishifenbutong，buxiugangdeqiegejingdujiuhuigaoyixie，erqieqiemianyehuirunhuayixie。

普通來說
，激光切割質量能夠由以下6個規範來權衡。

1.切割外表粗糙度Rz

2.切口掛渣尺寸

3.切邊垂直度和斜度u

4.切割邊緣圓角尺寸r

5.條紋後拖量n

6.平麵度F

切割穿孔

切割穿孔技術：任何一種熱切割技術,除少數狀況能夠從板邊緣開端外,普通都必需在板上穿一小孔。早先在激光衝壓複合機上是用衝頭先衝出一孔,然後再用激光從小孔處開端停止切割。關於沒有衝壓安裝的激光切割機有兩種穿孔的根本辦法：

（1）爆破穿孔：(Blast drilling)，資料經連續激光的映照後在中心構成一凹坑,然後由與激光束同軸的氧流很快將熔融資料去除構成一孔。普通孔的大小與板厚有關,爆破穿孔均勻直徑為板厚的一半,因而對較厚的板爆破穿孔孔徑較大,且不圓,不宜在請求較高的零件上運用（如石油篩縫管）,隻能用於廢料上。此外由於穿孔所用的氧氣壓力與切割時相同,飛濺較大。

（2）脈衝穿孔：（Pulse drilling）采用頂峰值功率的脈衝激光使少量資料凝結或汽化,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。每個脈衝激光隻產生小的微粒放射,逐漸深化,因而厚板穿孔時間需求幾秒鍾。一旦穿孔完成,立刻將輔助氣體換成氧氣停止切割。這樣穿孔直徑較小,其穿孔質量優於爆破穿孔。為此所運用的激光器不但應具有較高的輸出功率；更重要的光陰束的時間和空間特性,因而普通橫流CO2激光器不能順應激光切割的請求。

此外

，脈衝穿孔還需要有較牢靠的氣路控製係統,以完成氣體品種
、氣體壓力的切換及穿孔時間的控製。在采用脈衝穿孔的狀況下,為了取得高質量的切口,從工件靜止時的脈衝穿孔到工件等速連續切割的過渡技術應以注重。從理論上講通常可改動加速段的切割條件：如焦距、噴嘴位置、氣體壓力等,但實踐上由於時間太短改動以上條件的可能性不大。在工業消費中主要采用改動激光均勻功率的方法比擬理想,詳細辦法有以下三種：（1）改動脈衝寬度；（2）改動脈衝頻率；（3）同時改動脈衝寬度和頻率。實踐結果標明,第（3）種效果最好。

噴嘴設計

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經過噴嘴射到被切資料處,從而構成一個氣流束。對氣流的根本請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資料充沛停止放熱反響；同時又有足夠的動量將熔融資料放射吹出。因而，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）也是非常重要的要素。

激光切割用的噴嘴采用簡單的構造,即一錐形孔帶端部小圓孔（如圖4）。通常用實驗和誤差辦法停止設計。由於噴嘴普通用紫銅製造,體積較小,是易損零件,需經常改換,因而不停止流膂力學計算與剖析。在運用時從噴嘴側麵通入一定壓力Pn(表壓為Pg)的氣體,稱噴嘴壓力,從噴嘴出口噴出,經一定間隔抵達工件外表,其壓力稱切割壓力Pc,最後氣體收縮到大氣壓力Pa。研討工作標明隨著Pn的增加,氣流流速增加,Pc也不時增加。

可用下列公式計算： 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

關於不同的氣體有不同的壓力閾值,當噴嘴壓力超越此值時,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在度（n）兩要素有關：如氧氣、空氣的n=5,因而其閾值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正激波,切割壓力Pc降落,氣流速度減低,並在工件外表構成渦流,削弱了氣流去除熔融資料的作用,影響了切割速度。因而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。

為進一步進步激光切割速度,可依據空氣動力學原理,在進步噴嘴壓力的前提下不產生正激波,設計製造一種縮放型噴嘴,即拉伐爾（Laval）噴嘴。為便當製造可采用如圖4的構造。德國漢諾威大學激光中心運用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實驗,見圖4。實驗結果如圖5所示：分別表示NO2、NO4、NO5噴嘴在不同的氧氣壓力下,切口外表粗糙度Rz與切割速度Vc的函數關係。從圖中能夠看出NO2小孔噴嘴在Pn為400Kpa（或4bar）時切割速度隻能到達2.75m/min（碳鋼板厚為2mm）。NO4、NO5二種拉伐爾噴嘴在Pn為500Kpa到600Kpa時切割速度可到達3.5m/min和5.5m/min。應指出的是切割壓力Pc還是工件與噴嘴間隔的函數。由於斜激波在氣流的邊境屢次反射,使切割壓力呈周期性的變化。

第一高切割壓力區緊鄰噴嘴出口,工件外表至噴嘴出口的間隔約為0.5~1.5mm,切割壓力Pc大而穩定,是工業消費中切割手扳常用的工藝參數。第二高切割壓力區約為噴嘴出口的3~3.5mm,切割壓力Pc也較大,同樣能夠獲得好的效果,並有利於維護透鏡,進步其運用壽命。曲線上的其他高切割壓力區由於距噴嘴出口太遠,與聚焦光束難以匹配而無法采用。