1技術簡介

激光切割技術廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質量。脈沖激光適用于金屬材料，連續激光適用于非金屬材料，后者是激光切割技術的重要應用領域。現代的激光成了人們所幻想追求的“削鐵如泥”的“寶劍”。
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激光器及數控技術的不斷*和發展，目前已成為工業上板材切割的一種*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，又發展了數控步沖與電加工技術。各種切割下料方法都有其優缺點，在工業生產中有一定的適用范圍。

2優點

激光切割技術具有以下優點：
，精度高：定位精度0．05mm，重復定位精度0．02mm。
第二，切縫窄：激光束聚焦成很小的光點，使焦點處達到很高的功率密度，材料很陜加熱至氣化程度，蒸發形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動，使孔洞連續形成寬度很窄的切縫。切口寬度一般為0．10-0．20ram。
第三，切割面光滑：切割面無毛刺，切口表面粗糙度一般控制在Ral2．5；A內。
第四，速度快：切割速度可達lOm/min，大定位速度可達70m/m/n，比線切割的速度快很多。
第五，切割質量好：無接觸切割，切邊受熱影響很小，基本沒有工件熱變形，*避免材料沖剪時形成的塌邊，切縫一般不需要二次加工。
第六，不損傷工件：激光切割頭不會與材料表面相接觸，保證不劃傷工件。
第七，不受被切材料的硬度影響：激光可以對鋼板、不銹鋼、鋁合金板、硬質合金等進行加工，不管什么樣的硬度，都可以進行無變形切割。
第八，不受工件外形的影響：激光加工柔性好，可以加工任意圖形，可以切割管材及其他異型材。
第九，可以對非金屬進行切割加工：如塑料、木材、PVC、皮革、紡織品和有機玻璃等。
第十，節約模具投資：激光加工不需模具，沒有模具消耗，無須修理模具，節約更換模具時間，從而節省了加工費用，降低了生產成本，尤其適合大件產品的加工。
十一，節省材料：采用電腦編程，可以把不同外形的產品進行整張板材料套裁，大限度地提高材料的利用率。
十二，縮短了新產品制造周期：新產品試制，數量小，結構不確定、隨時會改動‘，根本不能出模具，激光切割機大大縮短了新產品制造周期，減少了模具投入。

3工業應用

概況

世界臺CO2激光切割機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激光切割機不斷改進，目前國際國內已有多家企業從事生產各種CO2激光切割機以滿足市場的需求，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*企業有德國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。根據美國激光工業應用雜志“Industrial Laser Solution”2000年度報告統計：1999年*共銷售的激光切割系統（主要是CO2激光切割系統）為3325臺，共11.74億美元。據不*統計中國目前每年生產CO2激光切割機近100臺，共1.5億元人民幣。雖然激光切割的發展趨勢較快，但應用水平與發達國家相比差距較大。至2003年中國已在工業生產中使用的CO2激光切割系統累計已達500臺左右，約占*正運行系統總量的1.5%。

CO2激光切割系統的購置

單位：一類是大中型制造企業，這些企業生產的產品中有大量板材需要下料、切料，并且具有較強的經濟和技術實力；
另一類單位是加工站（國外稱Job Shop）,加工站是專門對外承接激光加工業務的，自身無主導產品。它的存在一方面可滿足一些中小企業加工的需要；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站2700家，其中51%從事激光切割工作。八十年代中國激光加工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。在此基礎上隨著中國大中型企業體制改革的深入和經濟實力的增強，越來越多的企業將采用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、航空工業中也開始獲得了應用。

4產品分類

目前適合采用CO2激光切割的產品大體上可歸納為三類：

類

從技術經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，以節省制造模具的成本與周期。已采用的典型產品有：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。廣泛應用的典型零件是包裝印刷行業用的模切版，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。

5應用領域

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或配置工業機器人，切割空間曲線，開發各種三維切割軟件，以加快從畫圖到切割零件的過程。
（2）為了提高生產效率，研究開發各種專用切割系統，材料輸送系統，直線電機驅動系統等，目前切割系統的切割速度已超過100m/min。
（3）為擴展工程機械、造船工業等的應用，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。因此在中國擴大CO2激光切割的工業應用領域,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。

6關鍵技術

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、機器與數控系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：

焦點位置控制技術

激光切割的優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。
在工業生產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，直至藍色火花大處為焦點。對于飛行光路的切割機，由于光束發散角，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域內保持一致。如圖二所示。
（3）控制聚焦鏡（一般為金屬反射聚焦系統）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。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，以保持光程長度一致。

切割穿孔技術

任何一種熱切割技術，除少數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有兩種穿孔的基該方法：
（1）爆破穿孔：（Blast drilling），材料經連續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，以實現氣體種類、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切割的過渡技術應以重視。從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。在工業生產中主要采用改變激光平均功率的辦法比較現實，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）種效果好。

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（如圖4）。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，經一定距離到達工件表面，其壓力稱切割壓力Pc，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。
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
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為正激波，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，可根據空氣動力學原理，在提高噴嘴壓力的前提下不產生正激波，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4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，見圖4。試驗結果如圖5所示：分別表示NO2、NO4、NO5噴嘴在不同的氧氣壓力下,切口表面粗糙度Rz與切割速度Vc的函數關系。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。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。
高切割壓力區緊鄰噴嘴出口，工件表面至噴嘴出口的距離約為0.5~1.5mm，切割壓力Pc大而穩定，是目前工業生產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由于距噴嘴出口太遠，與聚焦光束難以匹配而無法采用。

7發展前景

綜上所述，CO2激光器切割技術正在中國工業生產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裝置。為了滿足工業生產對質量和生產效率越來越高的要求，必須重視解決各種關鍵技術及執行質量標準，以使這一新技術在中國獲得更廣泛的應用。
這個技術的應用面現在不是很廣，但隨著國家的發展，今后許多重工業都需要這門技術。所以，這個技術現在不太吃香，可能在未來的15-20年，有機會得到大力發展