CO2激光切割的幾項關(guān)鍵技術(shù)

1、CO2敢光切割的幾項關(guān)鍵技術(shù)是光、機、電一體化的綜合技術(shù)。激光束的參數(shù)、機器與數(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(guān)鍵技術(shù)：1、焦點位置控制技術(shù)：激光切割的優(yōu)點之一是光束的能量密度高，一般10W/cm2由于能量密度與4/冗d2成正比，所以焦點光斑直徑盡可能的小，以便產(chǎn)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敷光切割工業(yè)應用中廣泛采用57.5（127190mm）勺焦距。實際焦點光斑直徑在0.10.4mm之間

2、。對于高質(zhì)量的切割,有效焦深還和透鏡直徑及被切材料有關(guān)。例如用5的透鏡切碳鋼,焦深為焦距的+2%£圍內(nèi),即5mm£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(zhì)量、切割速度等因素，原則上6mm勺金屬材料,焦點在表面上；6mm勺碳鋼，焦點在表面之上；6mm勺不銹鋼，焦點在表面之下。具體尺寸由實驗確定。在工業(yè)生產(chǎn)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水平拉動,尋找激光束的最小處為焦點。（3）藍色火花法：去掉噴嘴,吹空氣,將脈沖激光打在不銹

3、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。對于飛行光路的切割機,由于光束發(fā)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(nèi)外激光切割系統(tǒng)的制造商提供了一些專用的裝置供用戶選用：國二F軾(1)平行光管。這是一種常用的方法，即在CO2敷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(fā)散角變小，使在切割工作范圍內(nèi)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(standoff)的Z軸是兩個相互獨立的部分

4、。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(qū)域內(nèi)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(tǒng))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(tǒng)。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。2 .切割穿孔技術(shù)：任何一種熱切割技術(shù)，除少數(shù)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

5、激光切割機有兩種穿孔的基本方法:1)爆破穿孔：(Blastdrilling)材料經(jīng)連續(xù)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(guān),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：（Pulsedrilling）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(chǎn)生小的微粒噴射,逐步深入,因此厚板穿

6、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(zhì)量優(yōu)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敷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(tǒng),以實現(xiàn)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(zhì)量的切口,從工件靜止時的脈沖穿孔到工件等速連續(xù)切割的過渡技術(shù)應以重視。從理論上講通?？筛淖兗铀俣蔚那懈顥l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(yè)生產(chǎn)中主要采用改變激光平均功率的辦法比較現(xiàn)實,具體方法

7、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(jié)果表明,第（3）種效果最好。3 .噴嘴設(shè)計及氣流控制技術(shù)：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(zhì)量及其控制直接影響切割質(zhì)量外，噴嘴的設(shè)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(jié)構(gòu)，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(shè)計。由于噴嘴一般用紫銅制造

8、，體積較小，是易損零件，需經(jīng)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(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)一定距離到達工件表面，具壓力稱切割壓力Pc,最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?？捎孟铝泄接嬎悖篤=8.2d2（Pg+1）V-氣體流速L/mind-噴嘴直徑mmPg-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P仆Pa比值及氣體分子的自由度（n）兩因素有關(guān)：如氧氣、空氣的n=5,因此其閾值Pn=1barx（1

9、.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?yōu)檎げ?，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(jù)空氣動力學原理,在提高噴嘴壓力的前提下不產(chǎn)生正激波,設(shè)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(jié)構(gòu)。德國漢諾威大學激光中心使用500WCO2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(jié)果如圖5所示：分別表

10、示NO2NO4NO5賁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(shù)關(guān)系。從圖中可以看出NO2、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。NO4NO5T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(shù)。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。第一高切割壓力區(qū)緊鄰噴嘴出口,工件表面至噴嘴出口的距離約為0.51.5mm,切割壓力Pc大而穩(wěn)定，是目前工業(yè)生產(chǎn)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33.5mm,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(qū)由于距噴嘴出口太遠,與聚焦光束難以匹配而無法采用。綜上所述，CO2激光器切割技術(shù)正在我國工業(yè)生產(chǎn)中得到越來越多的應用，國外正研究開發(fā)更高切割速度和更厚鋼板的切割技術(shù)與裝置。為了滿足工業(yè)生產(chǎn)對質(zhì)量和生產(chǎn)效率越來越高的要求,必須重視解決各種關(guān)鍵技術(shù)及執(zhí)行質(zhì)量標準,以使這一新技術(shù)在我國獲得更廣泛的應用。參考文獻：1 CO2LaserCuttingPowell.John19982現(xiàn)代激光加工及其裝備李力鈞1993北京理工大學