jic35导读：激光切割通常采用co2激光器，是激光加工中应用zui广泛的一种工艺，其zui早工业应用始于70年代初，zui初用在硬木板上制造冲剪纸箱板的模具。co2激光切割机按其功能可分为皮带传动通用切割机、丝杠传动精密切割机、摸切板切割机、板金切割机等四大类。随着对激光器研究的不断深入以及设计制造水平的不断提高，激光切割应用的范围更加广阔，技术更加成熟，应用的规模也逐渐扩大。
一、引言
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*.1--0.4mm,轮廓尺寸*.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*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*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*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hglaserlab公司等。目前国内能提供平板切割机的企业有上海团结普瑞玛公司、沈阳普瑞玛公司、济南捷迈公司、武汉楚天公司等。根据美国激光工业应用杂志“industriallasersolution”2000年度报告统计：1999年*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*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*正运行系统总量的1.5%。
co2激光切割系统的购置者主要是两类
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：
*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。zui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/min。
（3）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/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〃（127~190mm）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zui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zui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zui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的装置供用户选用：
（1）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（standoff）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）
（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：
（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。
（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*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。
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。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,zui后气体膨胀到大气压力pa。研究工作表明随着pn的增加,气流流速增加,pc也不断增加。可用下列公式计算：
v=8.2d2（pg+1）
v-气体流速l/min
d-喷嘴直径mm
pg-喷嘴压力（表压）bar
对于不同的气体有不同的压力阈值,当喷嘴压力超过此值时,气流为正常斜激波,气流速从亚音速向超音速过渡。此阈值与pn、pa比值及气体分子的自由度（n）两因素有关：如氧气、空气的n=5,因此其阈值pn=1bar×（1.2）3.5=1.89bar。当喷嘴压力更高pn/pa=（1+1/n）1+n/2时（pn>4bar）,气流正常斜激波封变为正激波,切割压力pc下降,气流速度减低,并在工件表面形成涡流,削弱了气流去除熔融材料的作用,影响了切割速度。因此采用锥孔带端部小圆孔的喷嘴,其氧气的喷嘴压力常在3bar以下。
为进一步提高激光切割速度,可根据空气动力学原理,在提高喷嘴压力的前提下不产生正激波,设计制造一种缩放型喷嘴,即拉伐尔（laval）喷嘴。为方便制造可采用如图4的结构。德国汉诺威大学激光中心使用500wco2激光器,透镜焦距2.5〃,采用小孔喷嘴和拉伐尔喷嘴分别作了试验。试验结果如所示：分别表示no2、no4、no5喷嘴在不同的氧气压力下,切口表面粗糙度rz与切割速度vc的函数关系。从图中可以看出no2小孔喷嘴在pn为400kpa（或4bar）时切割速度只能达到2.75m/min（碳钢板厚为2mm）。no4、no5二种拉伐尔喷嘴在pn为500kpa到600kpa时切割速度可达到3.5m/min和5.5m/min。应指出的是切割压力pc还是工件与喷嘴距离的函数。由于斜激波在气流的边界多次反射,使切割压力呈周期性的变化。
*高切割压力区紧邻喷嘴出口,工件表面至喷嘴出口的距离约为0.5~1.5mm,切割压力pc大而稳定,是目前工业生产中切割手扳常用的工艺参数。第二高切割压力区约为喷嘴出口的3~3.5mm,切割压力pc也较大,同样可以取得好的效果,并有利于保护透镜,提高其使用寿命。曲线上的其他高切割压力区由于距喷嘴出口太远,与聚焦光束难以匹配而无法采用。
综上所述,co2激光器切割技术正在我国工业生产中得到越来越多的应用,国外正研究开发更高切割速度和更厚钢板的切割技术与装置。为了满足工业生产对质量和生产效率越来越高的要求,必须重视解决各种关键技术及执行质量标准,以使这一新技术在我国获得更广泛的应用。