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　　CAD/CAM与制造业信息化 现 代 制 造 Modern Man ufac turing 激光切割工艺及设备 秦皇岛烟草机械有限责任公司 董锋 陆雅娟 激光加工技术是一种先进制造技术，而激光切割 件、运动部件以及相应的运动控制装置外，主要还应 是激光加工应用领域的一部分，激光切割是当前世界 备有激光加工系统，它是由激光器、聚焦系统和电气 上先进的切割工艺。由于它具备精密制造、柔性切割、 系统三部分组成的。 异型加工、一次成形、速度快、效率高等优点，所以在 1.激光器 工业生产中解决了许多常规方法无法解决的难题。激 激光器有固体激光器和气体激光器之分。固体激 光能切割大多数金属材料和非金属材料。 光器具有波长短、聚光性、稳定性好等特点，因此，适 于精密加工，特别是在脉冲下进行孔加工最为有效， 一、激光切割工艺的原理及特点 但能量效率低，一般＜3％，由于输出能量小，主要用 1.原理 于打孔和点焊及薄板的切割。 在激光束能量作用下（在氧助切割机制下，还要 气体激光器特别是CO气体激光器的功率在连 2 加上喷氧与到达燃点的金属发生放热反应放出的热 续方式工作时可达45kW，脉冲式可达5kW，因此在机 量），材料表面被迅速（ms范围）加热到几千乃至上万 械制造与加工业中应用最广。这里以CO气体激光器 2 度（℃）而熔化或汽化，随着汽化物逸出和熔融物体被 为例，详细介绍气体激光器的组成及其工作原理。 辅助高压气体（氧气或氮气等惰性气体）吹走，切缝便 图1是一个简单的气体激光器示意图。它主要是 产生了。 一个起激光作用的混合气体循环环流动的管子。气体 2.特点 在管子一端的完全反射镜和另一端的部分透射的反 激光切割是当前世界上先进的切割工艺。它的最 射镜之间被部分激励时，就产生了激光作用。 大优点是由于激光光斑小，能量集中，所以切割的割 在适于工业应用的CO激光器中，CO分子在放 2 2 缝小、无挂渣、几乎没有热变形，切割面光滑。总体而 电中被振荡激励。由于用放电进行的CO直接振荡激 2 言，激光切割工艺与其它切割工艺如火焰切割、等离 励的效率很低，因而在介质中加入N。N能有效地接 2 2 子切割、高压水射流切割等相比具有以下特点： 收放电的能量，并且由于N的振荡能级非常接近 2 (1)精确 CO的一些振荡能级，CO被N的谐振能交换所激 2 2 2 激光穿透材料切缝细，工件按程序切割尺寸精度高。 励，这种两步过程比CO直接振荡过程更快且效率更 2 (2)干净 高。接着CO从较高的振荡能级跃迁至一个中间能级 2 切口无毛刺、垂直度好，割缝不变形、无热影响区。 并发射一个光子；两个能级间的能量差相应于红外 (3)快速 区10.6μm的特征波长。然后，中间能级的CO分子 2 犹如一把锐刀，激光束光点小、能量集中，切割速 必须回到基态以完成整个过程。在起激光作用的混 度快。 合气体中加入He可加速这种跃迁。CO分子与He原 2 (4)省料 子间的碰撞，使剩余的激励能传输给He，然后，这部 可以整版编排套裁切割，省工节料。 分能量被带走，成为废热。 用对流冷却和电激励的CO激光器，目前是适于 2 二、激光切割设备 生产用的额定连续输出功率达20kW的大功率激光设 激光切割设备除具有一般机床所需有的支承构 备的基础。它利用激光气体的快速流动，带走激光腔 w w w . i c a d . c o m . c n 2 0 0 3 . 4 85 现 代 制 造 CAD/CAM与制造业信息化 Modern Man ufac turing 体内的废热。这种激光器的典型电-光转换效率为 多采用CNC控制。 10%～15%，所以有效地带走废热对于保证连续工作 为了实现聚焦点位置的自动调整，尤其当激光切 是很重要的。为使工作成本最低，采用了气-液热交换 割的工件表面不平整时，需采用焦点自动跟踪的控制 器，并使激光气体通过该系统再循环。由于需要连续 系统，它通常用电感式或电容式传感器来实时检测， 不断散热和需要补充少量激光气体，以防止因CO和 通过反馈来控制聚焦点的位置，其控制精度的要求一 2 N在放电时分解而产生的污染积累，因此要消耗少量 般为±0.05～0.005mm。 2 气体。 三、激光切割的合理工作参数 除精细切割（如切割硅片可用YAG固体激光器） 外，激光切割一般采用CO气体激光器，其工作参数 2 主要有切割速度、切缝宽度和切割厚度。 1.激光切割速度 它随激光功率和喷气压力增大而增加，而随被切 材料厚度增加而降低。切割6mm厚度碳素钢钢板的速 度达到2.5m／min，而厚度为12mm的钢板仅为0.8m/ min。切割15.6mm厚的胶合板为4.5m/min，切割35mm 厚的丙烯酸酯板的速度则达27m/min。 图1简单气体激光器系统 2.切缝宽度 2.聚焦系统 一般在0.5mm左右，它与被切材料性质及厚度、 其作用是把激光束通过光学系统精确地聚焦至 激光功率大小、焦距及焦点位置、激光束直径、喷吹气 工件上，同时还具有调节焦点位置和观察显示的功 体压力及流量等因素有关，其影响程度大致与对打孔 能。CO激光器输出的是红外线，故要用锗单晶、砷化 直径的影响相似。切割精度可达±0.02～0.01mm。 2 镓等红外材料制造的光学透镜才能通过。为减少表面 3.切割厚度 反射需镀增速膜。图2为应用于CO激光切割机的透 它主要取决于激光输出功率。切割碳素钢时， 2 射式聚焦系统。图中在光束出口处装有喷吹氧气、压 1kW级激光器的极限切割厚度为9mm，1.5kW级为 缩空气或惰性气体N的喷嘴，用以提高切割速度和切 12mm，2.5kW级为19mm；2.5kW级切割不锈钢的最大 2 口的平整光洁。工作台用抽真空方法使薄板工件能紧 切割厚度则为15mm。对于厚板切割，则需配置3kW以 贴在台面上。 上的高功率激光器。 4.辅助气体提高切割效率和切口质量 由于金属表面的激光反射率可高达的95%，使激 光能量不能有效地射入金属表面。喷吹氧气或压缩空 气能促进金属表面氧化，可提高对激光的吸收率来提 高切割效率。增加吹氧压力还可使切缝减小，切割石 英时，吹氧可防止再粘结。切割易燃材料时，可喷惰性 气体防止燃烧，切割带有金属夹层的易燃材料，宜采 用压缩空气。当吹气压力未超过某一数值时，增加压 图2透射式聚焦系统 力可增大切割厚度。 1.O激光器 kaiyun体育2.激光束 3.镀金全反射镜 4.砷化镓透镜 2 对于熔点低、分解点低及导热性差的塑料、纤维、 5.喷嘴 工件6. 工作台7. 4.聚焦系统 木材、布料等，一般应采用长焦距的锗透镜来聚焦激 3.电气系统 光束。 电气系统包括激光器电源和控制系统两部分，其 作用是供给激光器能量（固体激光器的光泵或CO激 四、应用实例 2 光器的高压直流电源）和对输出方式（如连续或脉冲、 秦皇岛烟草机械有限责任公司于2000年从德国 重复频率等）进行控制。此外，工件或激光束的移动大 （下转第84页） 86 w w w . i c a d . c o m . c n 2 0 0 3 . 4 现 代 制 造 CAD/CAM与制造业信息化 Modern Man ufac turing 现在，系统除了用代码编程之外，还开发了图形 寸的补偿。有的数控系统控制一台机床能力还有余， 编程功能，如MAZAK、FANUC、FAGOR等公司都开 还可以同时控制两个甚至更多的轨迹。两个轨迹的数 发了会话编程功能。用图形输入，系统就会自动生成 控系统，可同时运行两个加工程序，实现对两个不同 加工程序。 零件的同时加工。系统还有同步随动控制功能，可实 3.空间曲线、曲面的加工编程 现多个相同工件的同时加工。总之，数控系统的功能 过去这一直是CAM的领地，但现在已面临CNC极大地丰富。 的挑战。对有数学公式描述的曲线、曲面，可以用宏程 但是，随着DNC系统的使用。数控系统也有缩简 序功能编程。有的系统还开发出了空间圆弧插补，为 的趋势。根据机床群与计算机的联接方式，DNC系统 空间曲线曲面的加工提供了有力的工具。为使三直线 可分为间接型、直接型和计算机网络型三种。 轴联动加工曲面更加灵活，系统开发了空间刀具半径 间接型CNC是在上位计算机的管理下，零件加

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