| CO2激光切割工业应用及其关键技术 |
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| 日期：2007-7-15 12:58:10 人气：63 [大 中 小] |
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一、引言
CO2激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着CO2激光器及数控技术的不断完善和发展，目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙炔火焰切割；对于薄板采用剪床下料，成形复杂零件大批量的采用冲压，单件的采用振动剪。七十年代后，为了改善和提高火焰切割的切口质量，又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期，又发展了数控步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点，在工业生产中有一定的适用范围。
CO2激光切割技术比其他方法的明显优点是：
(1)切割质量好。切口宽度窄(一般为0.1--0.5mm)、精度高(一般孔中心距误差0.1--0.4mm，轮廓尺寸误差0.1--0.5mm)、切口表面粗糙度好(一般Ra为12.5--25μm)，切缝一般不需要再加工即可焊接。
(2)切割速度快。例如采用2KW激光功率，8mm厚的碳钢切割速度为1.6m/min；2mm厚的不锈钢切割速度为3.5m/min，热影响区小，变形极小。
(3)清洁、安全、无污染。大大改善了操作人员的工作环境。当然就精度和切口表面粗糙度而言，CO2激光切割不可能超过电加工；就切割厚度而言难以达到火焰和等离子切割的水平。但是就以上显著的优点足以证明：CO2激光切割已经和正在取代一部分传统的切割工艺方法，特别是各种非金属材料的切割。它是发展迅速，应用日益广泛的一种先进加工方法。
九十年代以来，由于我国社会主义市场经济的发展，企业间竞争激烈，每个企业必须根据自身条件正确选择某些先进制造技术以提高产品质量和生产效率。因此CO2激光切割技术在我国获得了较快的发展。
二、CO2激光切割的工业应用
世界第一台CO2激光切割机是二十世纪七十年代的诞生的。三十多年来，由于应用领域的不断扩大，CO2激光切割机不断改进，目前国际国内已有多家企业从事生产各种CO2激光切割机以满足市场的需求，有二维平板切割机、三维空间曲线切割机、管子切割机等。国外知名企业有德国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、澳大利亚HG Laser Lab公司等。目前国内能提供平板切割机的企业有上海团结普瑞玛公司、沈阳普瑞玛公司、济南捷迈公司、武汉楚天公司等。根据美国激光工业应用权威杂志“Industrial Laser Solution”2000年度报告统计：1999年全世界共销售的激光切割系统(主要是CO2激光切割系统)为3325台，共11.74亿美元。据不完全统计我国目前每年生产CO2激光切割机近100台，共1.5亿元人民币。虽然激光切割的发展趋势较快，但应用水平与发达国家相比差距较大。至2003年我国已在工业生产中使用的CO2激光切割系统累计已达500台左右，约占全世界正运行系统总量的1.5%。
CO2激光切割系统的购置着主要是两类单位：一类是大中型制造企业，这些企业生产的产品中有大量板材需要下料、切料，并且具有较强的经济和技术实力；另一类单位是加工站(国外称Job Shop)，加工站是专门对外承接激光加工业务的，自身无主导产品。它的存在一方面可满足一些中小企业加工的需要；一方面在初期对推广应用激光切割技术起到宣传示范的作用。1999年美国全国共有激光加工站2700家，其中51%从事激光切割工作。八十年代我国激光加工站主要从事激光热处理工作，九十年代后，激光切割及攻站逐步增加。在此基础上随着我国大中型企业体制改革的深入和经济实力的增强，越来越多的企业将采用CO2激光切割技术。
从目前国内应用情况分析，CO2激光切割广泛应用于<12mm厚的低碳钢板、<6mm厚的不锈钢板及<20mm厚的非金属材料。对于三维空间曲线的切割，在汽车、航空工业中也开始获得了应用。目前适合采用CO2激光切割的产品大体上可归纳为三类：
第一类：从技术经济角度不宜制造模具的金属钣金件，特别是轮廓形状复杂，批量不大，一般厚度<12mm的低碳钢、<6mm厚的不锈钢，以节省制造模具的成本与周期。已采用的典型产品有：自动电梯结构件、升降电梯面板、机床及粮食机械外罩、各种电气柜、开关柜、纺织机械零件、工程机械结构件、大电机硅钢片等。
第二类：装饰、广告、服务行业用的不锈钢(一般厚度<3mm)或非金属材料(一般厚度<20mm)的图案、标记、字体等。如艺术照相册的图案，公司、单位、宾馆、商场的标记，车站、码头、公共场所的中英文字体。
第三类：要求均匀切缝的特殊零件。最广泛应用的典型零件是包装印刷行业用的模切版，它要求在20mm厚的木模板上切出缝宽为0.7~0.8mm的槽，然后在槽中镶嵌刀片。使用时装在模切机上，切下各种已印刷好图形的包装盒。国内近年来应用的一个新领域是石油筛缝管。为了挡住泥沙进入抽油泵，在壁厚为6~9mm的合金钢管上切出<0.3mm宽的均匀切缝，起割穿孔处小孔直径不能>0.3mm，切割技术难度大，已有不少单位投入生产。
国外除上述应用外，还在不断扩展其应用领域。
(1)采用三维激光切割系统或配置工业机器人，切割空间曲线，开发各种三维切割软件，以加快从画图到切割零件的过程。
(2)为了提高生产效率，研究开发各种专用切割系统，材料输送系统，直线电机驱动系统等，目前切割系统的切割速度已超过100m/min。
(3)为扩展工程机械、造船工业等的应用，切割低碳钢厚度已超过30mm，并特别注意研究用氮气切割低碳钢的工艺技术，以提高切割厚板的切口质量。因此在我国扩大CO2激光切割的工业应用领域，解决新的应用中一些技术难题仍然是工程技术人员的重要课题。
三、CO2激光切割的几项关键技术
CO2激光切割的几项关键技术是光、机、电一体化的综合技术。激光束的参数、机器与数控系统的性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，必须掌握和解决以下几项关键技术：
1、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，一般>10W/cm2。由于能量密度与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，透镜离工件太近容易将透镜损坏，因此一般大功率CO2激光切割工业应用中广泛采用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。具体尺寸由实验确定。
在工业生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，在塑料板上进行激光束打印，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，由于光束发散角，切割近端和远端时光程长短不同，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，国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距离(stand off)的Z轴是两个相互独立的部分。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。如图所示。 |
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| 出处：本站原创 作者：佚名 | |
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