激光切割机关键技术

激光切割技术有两种： 一种是脉冲激光适用于金属资料。第二种是连续激光适用于非金属资料，后者是激光切割技术的重要应用范畴。

激光切割机的几项关键技术是光、机、电一体化的综合技术。在激光切割机中激光束的参数、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。特别是关于切割精度较高或厚度较大的零件,必需控制和处理以下几项关键技术：

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,普通10W/cm2。由于能量密度与面积成反比，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，因而普通大功率CO2激光切割机工业应用中普遍采用5〃~7.5〃〞(127~190mm)的焦距。实践焦点光斑直径在0.1~0.4mm之间。关于高质量的切割,有效焦深还和透镜直径及被切资料有关。例如用5〃的透镜切碳钢,焦深为焦距的+2%范围内,即5mm左右。因而控制焦点相关于被切资料外表的位置非常重要。顾忌到切割质量、切割速度等要素,准绳上6mm的金属资料,焦点在外表上； 6mm的碳钢,焦点在外表之上； 6mm的不锈钢,焦点在外表之下。详细尺寸由实验肯定。

在工业消费中肯定焦点位置的烦琐办法有三种：

（1）打印法：使切割头从上往下运动,在塑料板上停止激光束打印,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程度拉动,寻觅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。

关于飞行光路的切割机,由于光束发散角,切割近端和远端光阴程长短不同,聚焦前的光束尺寸有一定差异。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专用的安装供用户选用：

（1）平行光管。这是一种常用的办法,即在CO2激光器的输出端加一平行光管停止扩束处置,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分歧。

（2）在切割头上增加一独立的挪动透镜的下轴,它与控制喷嘴到资料外表间隔（stand off）的Z轴是两个互相独立的局部。当机床工作台挪动或光轴挪动时,光束从近端到远端F轴也同时挪动,使光束聚焦后光斑直径在整个加工区域内坚持分歧。如图二所示。

（3）控制聚焦镜（普通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,自动控制水压改动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,以坚持光程长度分歧。

主要参数

X,Y工作范围：1300mm*2500mm

切割聚焦镜头：F=80mm

最大激光输出功率：500W

调继冲频率：$300Hz

电源脉冲宽度：0.5ms-2ms

激光器：双灯镀金聚光腔

切割接口卡：CNC 3000控制卡

切割软件：顺应PLT,DXF等格式

制冷功率：4W

反复定位精度：±0.03/300mm

空程速度：0-20000mm/min

切割速度：0-15000mm/min

切割质量

切割精度是判别数控激光切割机质量好坏的第一要素。影响数控激光切割机的切割精度的四大要素：

1、激光发作器的激光凝聚的大小。汇集之后假如光斑十分小，则切割精度十分高，要是切割之后的缝隙也十分小。则阐明激光切割机的精度十分之高，质量则十分高。但激光器发出的光束为锥形，所以切出来的缝隙也是锥形。这种条件下，工件厚度越大，精度也就会越低，因而切缝越大。

2、工作台的精度。工作台的精度假如十分高，则让切割的精度也随之进步。因而工作台的精度也是权衡激光发作器精度的一个十分重要的要素。

3、激光光束凝聚成锥形。切割时，激光光束是以锥形向下的，这时假如切割的工件的厚度十分大，切割的精度就会降低，则切出来的缝隙就会十分大。

4、切割的资料不同，也会影响到激光切割机的精度。在同样的状况下，切割不锈钢和切割铝其精度就会十分不同，不锈钢的切割精度就会高一些，而且切面也会润滑一些。

普通来说，激光切割质量能够由以下6个规范来权衡。

1.切割外表粗糙度Rz

2.切口挂渣尺寸

3.切边垂直度和斜度u

4.切割边缘圆角尺寸r

5.条纹后拖量n

6.平面度F

切割穿孔

切割穿孔技术：任何一种热切割技术,除少数状况能够从板边缘开端外,普通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端停止切割。关于没有冲压安装的激光切割机有两种穿孔的根本办法：

（1）爆破穿孔：(Blast drilling)，资料经连续激光的映照后在中心构成一凹坑,然后由与激光束同轴的氧流很快将熔融资料去除构成一孔。普通孔的大小与板厚有关,爆破穿孔均匀直径为板厚的一半,因而对较厚的板爆破穿孔孔径较大,且不圆,不宜在请求较高的零件上运用（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：（Pulse drilling）采用顶峰值功率的脉冲激光使少量资料凝结或汽化,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放射,逐渐深化,因而厚板穿孔时间需求几秒钟。一旦穿孔完成,立刻将辅助气体换成氧气停止切割。这样穿孔直径较小,其穿孔质量优于爆破穿孔。为此所运用的激光器不但应具有较高的输出功率；更重要的光阴束的时间和空间特性,因而普通横流CO2激光器不能顺应激光切割的请求。

此外，脉冲穿孔还需要有较牢靠的气路控制系统,以完成气体品种、气体压力的切换及穿孔时间的控制。在采用脉冲穿孔的状况下,为了取得高质量的切口,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注重。从理论上讲通常可改动加速段的切割条件：如焦距、喷嘴位置、气体压力等,但实践上由于时间太短改动以上条件的可能性不大。在工业消费中主要采用改动激光均匀功率的方法比拟理想,详细办法有以下三种：（1）改动脉冲宽度；（2）改动脉冲频率；（3）同时改动脉冲宽度和频率。实践结果标明,第（3）种效果最好。

喷嘴设计

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经过喷嘴射到被切资料处,从而构成一个气流束。对气流的根本请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资料充沛停止放热反响；同时又有足够的动量将熔融资料放射吹出。因而，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）也是非常重要的要素。

激光切割用的喷嘴采用简单的构造,即一锥形孔带端部小圆孔（如图4）。通常用实验和误差办法停止设计。由于喷嘴普通用紫铜制造,体积较小,是易损零件,需经常改换,因而不停止流膂力学计算与剖析。在运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,经一定间隔抵达工件外表,其压力称切割压力Pc,最后气体收缩到大气压力Pa。研讨工作标明随着Pn的增加,气流流速增加,Pc也不时增加。

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

关于不同的气体有不同的压力阈值,当喷嘴压力超越此值时,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在度（n）两要素有关：如氧气、空气的n=5,因而其阈值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降落,气流速度减低,并在工件外表构成涡流,削弱了气流去除熔融资料的作用,影响了切割速度。因而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,可依据空气动力学原理,在进步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。为便当制造可采用如图4的构造。德国汉诺威大学激光中心运用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实验,见图4。实验结果如图5所示：分别表示NO2、NO4、NO5喷嘴在不同的氧气压力下,切口外表粗糙度Rz与切割速度Vc的函数关系。从图中能够看出NO2小孔喷嘴在Pn为400Kpa（或4bar）时切割速度只能到达2.75m/min（碳钢板厚为2mm）。NO4、NO5二种拉伐尔喷嘴在Pn为500Kpa到600Kpa时切割速度可到达3.5m/min和5.5m/min。应指出的是切割压力Pc还是工件与喷嘴间隔的函数。由于斜激波在气流的边境屡次反射,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,工件外表至喷嘴出口的间隔约为0.5~1.5mm,切割压力Pc大而稳定,是工业消费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,同样能够获得好的效果,并有利于维护透镜,进步其运用寿命。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。