激光切割機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

激光切割技術(shù)有兩種： 一種是脈沖激光適用于金屬資料。第二種是連續(xù)激光適用于非金屬資料，后者是激光切割技術(shù)的重要應(yīng)用范疇。

激光切割機(jī)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是光、機(jī)、電一體化的綜合技術(shù)。在激光切割機(jī)中激光束的參數(shù)、機(jī)器與數(shù)控系統(tǒng)的性能和精度都直接影響激光切割的效率和質(zhì)量。特別是關(guān)于切割精度較高或厚度較大的零件,必需控制和處理以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：

焦點(diǎn)位置控制技術(shù)

激光切割的優(yōu)點(diǎn)之一是光束的能量密度高,普通10W/cm2。由于能量密度與面積成反比，所以焦點(diǎn)光斑直徑盡可能的小，以便產(chǎn)生一窄的切縫；同時(shí)焦點(diǎn)光斑直徑還和透鏡的焦深成正比。聚焦透鏡焦深越小,焦點(diǎn)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(jī)工業(yè)應(yīng)用中普遍采用5〃~7.5〃〞(127~190mm)的焦距。實(shí)踐焦點(diǎn)光斑直徑在0.1~0.4mm之間。關(guān)于高質(zhì)量的切割,有效焦深還和透鏡直徑及被切資料有關(guān)。例如用5〃的透鏡切碳鋼,焦深為焦距的+2%范圍內(nèi),即5mm左右。因而控制焦點(diǎn)相關(guān)于被切資料外表的位置非常重要。顧忌到切割質(zhì)量、切割速度等要素,準(zhǔn)繩上6mm的金屬資料,焦點(diǎn)在外表上； 6mm的碳鋼,焦點(diǎn)在外表之上； 6mm的不銹鋼,焦點(diǎn)在外表之下。詳細(xì)尺寸由實(shí)驗(yàn)肯定。

在工業(yè)消費(fèi)中肯定焦點(diǎn)位置的煩瑣辦法有三種：

（1）打印法：使切割頭從上往下運(yùn)動(dòng),在塑料板上停止激光束打印,打印直徑最小處為焦點(diǎn)。

（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(dòng),尋覓激光束的最小處為焦點(diǎn)。

（3）藍(lán)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(yùn)動(dòng),直至藍(lán)色火花最大處為焦點(diǎn)。

關(guān)于飛行光路的切割機(jī),由于光束發(fā)散角,切割近端和遠(yuǎn)端光陰程長(zhǎng)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(diǎn)光斑的直徑越小。為了減少因聚焦前光束尺寸變化帶來(lái)的焦點(diǎn)光斑尺寸的變化,國(guó)內(nèi)外激光切割系統(tǒng)的制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(kuò)束處置,擴(kuò)束后的光束直徑變大,發(fā)散角變小,使在切割工作范圍內(nèi)近端和遠(yuǎn)端聚焦前光束尺寸接近分歧。

（2）在切割頭上增加一獨(dú)立的挪動(dòng)透鏡的下軸,它與控制噴嘴到資料外表間隔（stand off）的Z軸是兩個(gè)互相獨(dú)立的局部。當(dāng)機(jī)床工作臺(tái)挪動(dòng)或光軸挪動(dòng)時(shí),光束從近端到遠(yuǎn)端F軸也同時(shí)挪動(dòng),使光束聚焦后光斑直徑在整個(gè)加工區(qū)域內(nèi)堅(jiān)持分歧。如圖二所示。

（3）控制聚焦鏡（普通為金屬反射聚焦系統(tǒng)）的水壓。若聚焦前光束尺寸變小而使焦點(diǎn)光斑直徑變大時(shí),自動(dòng)控制水壓改動(dòng)聚焦曲率使焦點(diǎn)光斑直徑變小。

（4）飛行光路切割機(jī)上增加x、y方向的補(bǔ)償光路系統(tǒng)。即當(dāng)切割遠(yuǎn)端光程增加時(shí)使補(bǔ)償光路縮短；反之當(dāng)切割近端光程減小時(shí),使補(bǔ)償光路增加,以堅(jiān)持光程長(zhǎng)度分歧。

主要參數(shù)

X,Y工作范圍：1300mm*2500mm

切割聚焦鏡頭：F=80mm

最大激光輸出功率：500W

調(diào)繼沖頻率：$300Hz

電源脈沖寬度：0.5ms-2ms

激光器：雙燈鍍金聚光腔

切割接口卡：CNC 3000控制卡

切割軟件：順應(yīng)PLT,DXF等格式

制冷功率：4W

反復(fù)定位精度：±0.03/300mm

空程速度：0-20000mm/min

切割速度：0-15000mm/min

切割質(zhì)量

切割精度是判別數(shù)控激光切割機(jī)質(zhì)量好壞的第一要素。影響數(shù)控激光切割機(jī)的切割精度的四大要素：

1、激光發(fā)作器的激光凝聚的大小。匯集之后假如光斑十分小，則切割精度十分高，要是切割之后的縫隙也十分小。則闡明激光切割機(jī)的精度十分之高，質(zhì)量則十分高。但激光器發(fā)出的光束為錐形，所以切出來(lái)的縫隙也是錐形。這種條件下，工件厚度越大，精度也就會(huì)越低，因而切縫越大。

2、工作臺(tái)的精度。工作臺(tái)的精度假如十分高，則讓切割的精度也隨之進(jìn)步。因而工作臺(tái)的精度也是權(quán)衡激光發(fā)作器精度的一個(gè)十分重要的要素。

3、激光光束凝聚成錐形。切割時(shí)，激光光束是以錐形向下的，這時(shí)假如切割的工件的厚度十分大，切割的精度就會(huì)降低，則切出來(lái)的縫隙就會(huì)十分大。

4、切割的資料不同，也會(huì)影響到激光切割機(jī)的精度。在同樣的狀況下，切割不銹鋼和切割鋁其精度就會(huì)十分不同，不銹鋼的切割精度就會(huì)高一些，而且切面也會(huì)潤(rùn)滑一些。

普通來(lái)說(shuō)，激光切割質(zhì)量能夠由以下6個(gè)規(guī)范來(lái)權(quán)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.條紋后拖量n

6.平面度F

切割穿孔

切割穿孔技術(shù)：任何一種熱切割技術(shù),除少數(shù)狀況能夠從板邊緣開端外,普通都必需在板上穿一小孔。早先在激光沖壓復(fù)合機(jī)上是用沖頭先沖出一孔,然后再用激光從小孔處開端停止切割。關(guān)于沒(méi)有沖壓安裝的激光切割機(jī)有兩種穿孔的根本辦法：

（1）爆破穿孔：(Blast drilling)，資料經(jīng)連續(xù)激光的映照后在中心構(gòu)成一凹坑,然后由與激光束同軸的氧流很快將熔融資料去除構(gòu)成一孔。普通孔的大小與板厚有關(guān),爆破穿孔均勻直徑為板厚的一半,因而對(duì)較厚的板爆破穿孔孔徑較大,且不圓,不宜在請(qǐng)求較高的零件上運(yùn)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(shí)相同,飛濺較大。

（2）脈沖穿孔：（Pulse drilling）采用頂峰值功率的脈沖激光使少量資料凝結(jié)或汽化,常用空氣或氮?dú)庾鳛檩o助氣體,以減少因放熱氧化使孔擴(kuò)展,氣體壓力較切割時(shí)的氧氣壓力小。每個(gè)脈沖激光只產(chǎn)生小的微粒放射,逐漸深化,因而厚板穿孔時(shí)間需求幾秒鐘。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(zhì)量?jī)?yōu)于爆破穿孔。為此所運(yùn)用的激光器不但應(yīng)具有較高的輸出功率；更重要的光陰束的時(shí)間和空間特性,因而普通橫流CO2激光器不能順應(yīng)激光切割的請(qǐng)求。

此外，脈沖穿孔還需要有較牢靠的氣路控制系統(tǒng),以完成氣體品種、氣體壓力的切換及穿孔時(shí)間的控制。在采用脈沖穿孔的狀況下,為了取得高質(zhì)量的切口,從工件靜止時(shí)的脈沖穿孔到工件等速連續(xù)切割的過(guò)渡技術(shù)應(yīng)以注重。從理論上講通常可改動(dòng)加速段的切割條件：如焦距、噴嘴位置、氣體壓力等,但實(shí)踐上由于時(shí)間太短改動(dòng)以上條件的可能性不大。在工業(yè)消費(fèi)中主要采用改動(dòng)激光均勻功率的方法比擬理想,詳細(xì)辦法有以下三種：（1）改動(dòng)脈沖寬度；（2）改動(dòng)脈沖頻率；（3）同時(shí)改動(dòng)脈沖寬度和頻率。實(shí)踐結(jié)果標(biāo)明,第（3）種效果最好。

噴嘴設(shè)計(jì)

噴嘴設(shè)計(jì)及氣流控制技術(shù)： 激光切割鋼材時(shí),氧氣和聚焦的激光束是經(jīng)過(guò)噴嘴射到被切資料處,從而構(gòu)成一個(gè)氣流束。對(duì)氣流的根本請(qǐng)求是進(jìn)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(shí)又有足夠的動(dòng)量將熔融資料放射吹出。因而，除光束的質(zhì)量及其控制直接影響切割質(zhì)量外,噴嘴的設(shè)計(jì)及氣流的控制（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(jiǎn)單的構(gòu)造,即一錐形孔帶端部小圓孔（如圖4）。通常用實(shí)驗(yàn)和誤差辦法停止設(shè)計(jì)。由于噴嘴普通用紫銅制造,體積較小,是易損零件,需經(jīng)常改換,因而不停止流膂力學(xué)計(jì)算與剖析。在運(yùn)用時(shí)從噴嘴側(cè)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(jīng)一定間隔抵達(dá)工件外表,其壓力稱切割壓力Pc,最后氣體收縮到大氣壓力Pa。研討工作標(biāo)明隨著Pn的增加,氣流流速增加,Pc也不時(shí)增加。

可用下列公式計(jì)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(guān)于不同的氣體有不同的壓力閾值,當(dāng)噴嘴壓力超越此值時(shí),氣流為正常斜激波,氣流速?gòu)膩喴羲傧虺羲龠^(guò)渡。此閾值與Pn、Pa比值及氣體分子的自在度（n）兩要素有關(guān)：如氧氣、空氣的n=5,因而其閾值Pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar。當(dāng)噴嘴壓力更高Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2時(shí)（Pn；4bar）,氣流正常斜激波封變?yōu)檎げ?切割壓力Pc降落,氣流速度減低,并在工件外表構(gòu)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(jìn)一步進(jìn)步激光切割速度,可依據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理,在進(jìn)步噴嘴壓力的前提下不產(chǎn)生正激波,設(shè)計(jì)制造一種縮放型噴嘴,即拉伐爾（Laval）噴嘴。為便當(dāng)制造可采用如圖4的構(gòu)造。德國(guó)漢諾威大學(xué)激光中心運(yùn)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(shí)驗(yàn),見(jiàn)圖4。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)關(guān)系。從圖中能夠看出NO2小孔噴嘴在Pn為400Kpa（或4bar）時(shí)切割速度只能到達(dá)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(shí)切割速度可到達(dá)3.5m/min和5.5m/min。應(yīng)指出的是切割壓力Pc還是工件與噴嘴間隔的函數(shù)。由于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(qū)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(wěn)定,是工業(yè)消費(fèi)中切割手扳常用的工藝參數(shù)。第二高切割壓力區(qū)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,并有利于維護(hù)透鏡,進(jìn)步其運(yùn)用壽命。曲線上的其他高切割壓力區(qū)由于距噴嘴出口太遠(yuǎn),與聚焦光束難以匹配而無(wú)法采用。