二氧化碳激光切割工业应用及其关键技术

 CO2激光切割的几项枢纽技术是光、机、电一体化的综合技术。

    激光束的参数、机器与数控系统的机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,必需把握和解决以下几项枢纽技术： 
    1、焦点位置控制技术：

    激光切割的长处之一是光束的能量密度高,一般>10W/cm2。因为能量密度与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,透镜离工件太近轻易将透镜损坏,因此一般大功率CO2激光切割产业应用中广泛采用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。详细尺寸由实验确定。

    在产业出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,在塑料板长进行激光束打印,打印直径最小处为焦点。
（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,寻找激光束的最小处为焦点。
（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,直至蓝色火花最大处为焦点。

    对于飞行光路的切割机,因为光束发散角,切割近端和远端时光程是非不同,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,海内外激光切割系统的制造商提供了一些专用的装置供用户选用：

（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间隔（stand off）的Z轴是两个相互独立的部门。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。如图二所示。

（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沿开始外,一般都必需在板上穿一小孔。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：(Blast drilling)
材料经连续激光的照射后在中央形成一凹坑,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,爆破穿孔均匀直径为板厚的一半,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）,只能用于废物上。此外因为穿孔所用的氧气压力与切割时相同,飞溅较大。

（2）脉冲穿孔：（Pulse drilling）
    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,立刻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靠的气路控制系统,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正视。从理论上讲通常可改变加速段的切割前提：如焦距、喷嘴位置、气体压力等,但实际上因为时间太短改变以上前提的可能性不大。在产业出产中主要采用改变激光均匀功率的办法比较现实,详细方法有以下三种：（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）种效果最好。

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朴的结构,即一锥形孔带端部小圆孔（如图4）。通常用实验和误差方法进行设计。因为喷嘴一般用

紫铜制造,体积较小,是易损零件,需常常更换,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,经一定间隔到达工件表面,其压力称切割压力Pc,最后气体膨胀到大气压力Pa。研究工作表明跟着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）ba

    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。

    为进一步进步激光切割速度,可根据空气动力学原理,在进步喷嘴压力的条件下不产生正激波,设计制造一种缩放型喷嘴,即拉伐尔（Laval）喷嘴。为利便制造可采用如图4的结构。德国汉诺威大学激光中央使用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,见图4。试验结果如图5所示：分别表示NO2、NO4、NO5喷嘴在不同的氧气压力下,切口表面粗拙度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仍是工件与喷嘴间隔的函数。因为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。

    第一高切割压力区紧邻喷嘴出口,工件表面至喷嘴出口的间隔约为0.5~1.5mm,切割压力Pc大而不乱,是目前产业出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,进步其使用寿命。曲线上的其他高切割压力区因为距喷嘴出口太远,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产业出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。为了知足产业出产对质量和出产效率越来越高的要求,必需正视解决各种枢纽技术及执行质量尺度,以使这一新技术在我国获得更广泛的应用。

  
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