激光切割技術(shù)圖書信息

書 名： 激光切割技術(shù)

作 者：葉建斌 戴春祥

出版社：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社

精 裝：230頁

開 本：16頁

ISBN： 978-7-5478-1214-3/TN 9

激光切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質(zhì)量。脈沖激光適用于金屬材料，連續(xù)激光適用于非金屬材料，后者是激光切割技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)代的激光成了人們所幻想追求的“削鐵如泥”的“寶劍”。

激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料，并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動，從而形成一定形狀的切縫。從二十世紀(jì)七十年代以來隨著CO2激光器及數(shù)控技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，目前已成為工業(yè)上板材切割的一種先進的加工方法。在五、六十年代作為板材下料切割的主要方法中：對于中厚板采用氧乙炔火焰切割；對于薄板采用剪床下料，成形復(fù)雜零件大批量的采用沖壓，單件的采用振動剪。七十年代后，為了改善和提高火焰切割的切口質(zhì)量，又推廣了氧乙烷精密火焰切割和等離子切割。為了減少大型沖壓模具的制造周期，又發(fā)展了數(shù)控步?jīng)_與電加工技術(shù)。各種切割下料方法都有其優(yōu)缺點，在工業(yè)生產(chǎn)中有一定的適用范圍。

本書是“十二五”國家重點圖書出版規(guī)劃項目“先進制造技術(shù)與應(yīng)用前沿”之一。激光切割技術(shù)室激光技術(shù)在工業(yè)中的主要應(yīng)用，它已成為當(dāng)前工業(yè)加工領(lǐng)域應(yīng)用最多的激光加工方法。

本書系統(tǒng)闡述了激光切割原理、工藝方法及應(yīng)用等內(nèi)容。本書共分七章：第1章介紹激光加工技術(shù)的特點、應(yīng)用及發(fā)展，并簡介常用激光加工技術(shù)；第2章論述激光加工技術(shù)基礎(chǔ)，包括激光加工光學(xué)系統(tǒng)、成套設(shè)備系統(tǒng)以及激光與金屬材料的交互作用機理等；第3章論述激光切割的機理、特點，三維激光切割關(guān)鍵技術(shù)以及激光切割設(shè)備；第4章分析激光切割工藝及及激光切割控制的難點，并介紹常用工程材料的激光切割；第5章闡述激光切割質(zhì)量評價及影響因素以及德國TRUMPF（通快）公司制定的激光切割質(zhì)量評估標(biāo)準(zhǔn)；第6章結(jié)合具體激光切割設(shè)備論述激光切割的實際應(yīng)用、三維激光切割及其在汽車制造中的應(yīng)用以及光纖激光器及其在激光切割中的應(yīng)用等；第7章以上海團結(jié)普瑞瑪激光設(shè)備有限公司生產(chǎn)的激光切割設(shè)備為例，介紹激光切割中可能產(chǎn)生的故障及其處理方法，并論述激光切割中常見問題及解決措施。

葉建斌，男，35歲，上海文日方實業(yè)發(fā)展有限公司總經(jīng)理，主要研究領(lǐng)域：工程技術(shù)。曾受聘于水利部上?？睖y設(shè)計研究院監(jiān)理公司，從事國家大型水利工程監(jiān)理工作；受聘于上海東進網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，任副總經(jīng)理，從事計算機系統(tǒng)工程設(shè)計安裝和培訓(xùn)工作。

戴春祥，男，52歲，上海大學(xué)機自學(xué)院副研究員，主要研究領(lǐng)域：現(xiàn)代設(shè)計方法與制造、產(chǎn)品數(shù)字化建模、三維重建、快速制造等。擅長運用CAD/CAM/CAE軟件進行產(chǎn)品建模與分析，發(fā)表論文數(shù)十篇（其中7篇EI檢索）、專著4部，發(fā)明專利3個，主持或參加多項國家及省部級科研項目，專業(yè)領(lǐng)域涉及仿生制造、產(chǎn)品建模、裝配建模、運動仿真、UG NX軟件應(yīng)用等。

本書按照激光切割原理、工藝方法及應(yīng)用的思路來編寫，既顧及激光切割原理及技術(shù)的完整性并兼顧可讀性和實用性，又充分考慮閱讀時的可選性，在內(nèi)容上還編入了一定量的激光切割設(shè)備的操作實例，以求更好地做到理論與實際相結(jié)合。本書可作為大專院校激光加工技術(shù)、光信息科學(xué)與技術(shù)、光電儀器類專業(yè)的教材，也可供相關(guān)專業(yè)學(xué)生及從事激光切割的應(yīng)用、研究、生產(chǎn)等科研和工程技術(shù)人員參考。

激光切割技術(shù)具有以下優(yōu)點：

第一，精度高：定位精度0．05mm，重復(fù)定位精度0．02mm。

第二，切縫窄：激光束聚焦成很小的光點，使焦點處達到很高的功率密度，材料很陜加熱至氣化程度，蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫。切口寬度一般為0．10-0．20ram。

第三，切割面光滑：切割面無毛刺，切口表面粗糙度一般控制在Ral2．5；A內(nèi)。

第四，速度快：切割速度可達lOm/min，最大定位速度可達70m/m/n，比線切割的速度快很多。

第五，切割質(zhì)量好：無接觸切割，切邊受熱影響很小，基本沒有工件熱變形，完全避免材料沖剪時形成的塌邊，切縫一般不需要二次加工。

第六，不損傷工件：激光切割頭不會與材料表面相接觸，保證不劃傷工件。

第七，不受被切材料的硬度影響：激光可以對鋼板、不銹鋼、鋁合金板、硬質(zhì)合金等進行加工，不管什么樣的硬度，都可以進行無變形切割。

第八，不受工件外形的影響：激光加工柔性好，可以加工任意圖形，可以切割管材及其他異型材。

第九，可以對非金屬進行切割加工：如塑料、木材、PVC、皮革、紡織品和有機玻璃等。

第十，節(jié)約模具投資：激光加工不需模具，沒有模具消耗，無須修理模具，節(jié)約更換模具時間，從而節(jié)省了加工費用，降低了生產(chǎn)成本，尤其適合大件產(chǎn)品的加工。

十一，節(jié)省材料：采用電腦編程，可以把不同外形的產(chǎn)品進行整張板材料套裁，最大限度地提高材料的利用率。

十二，縮短了新產(chǎn)品制造周期：新產(chǎn)品試制，數(shù)量小，結(jié)構(gòu)不確定、隨時會改動‘，根本不能出模具，激光切割機大大縮短了新產(chǎn)品制造周期，減少了模具投入。

概況

世界第一臺CO2激光切割機是二十世紀(jì)七十年代的誕生的。三十多年來，由于應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，CO2激光切割機不斷改進，目前國際國內(nèi)已有多家企業(yè)從事生產(chǎn)各種CO2激光切割機以滿足市場的需求，有二維平板切割機、三維空間曲線切割機、管子切割機等。國外知名企業(yè)有德國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、澳大利亞HG Laser Lab公司等。目前國內(nèi)能提供平板切割機的企業(yè)有上海團結(jié)普瑞瑪公司、沈陽普瑞瑪公司、濟南捷邁公司、武漢楚天公司等。根據(jù)美國激光工業(yè)應(yīng)用權(quán)威雜志“Industrial Laser Solution”2000年度報告統(tǒng)計：1999年全世界共銷售的激光切割系統(tǒng)（主要是CO2激光切割系統(tǒng)）為3325臺，共11.74億美元。據(jù)不完全統(tǒng)計中國目前每年生產(chǎn)CO2激光切割機近100臺，共1.5億元人民幣。雖然激光切割的發(fā)展趨勢較快，但應(yīng)用水平與發(fā)達國家相比差距較大。至2003年中國已在工業(yè)生產(chǎn)中使用的CO2激光切割系統(tǒng)累計已達500臺左右，約占全世界正運行系統(tǒng)總量的1.5%。

CO2激光切割系統(tǒng)的購置

單位：一類是大中型制造企業(yè)，這些企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品中有大量板材需要下料、切料，并且具有較強的經(jīng)濟和技術(shù)實力；

另一類單位是加工站（國外稱Job Shop）,加工站是專門對外承接激光加工業(yè)務(wù)的，自身無主導(dǎo)產(chǎn)品。它的存在一方面可滿足一些中小企業(yè)加工的需要；一方面在初期對推廣應(yīng)用激光切割技術(shù)起到宣傳示范的作用。1999年美國全國共有激光加工站2700家，其中51%從事激光切割工作。八十年代中國激光加工站主要從事激光熱處理工作，九十年代后，激光切割及攻站逐步增加。在此基礎(chǔ)上隨著中國大中型企業(yè)體制改革的深入和經(jīng)濟實力的增強，越來越多的企業(yè)將采用CO2激光切割技術(shù)。

從目前國內(nèi)應(yīng)用情況分析，CO2激光切割廣泛應(yīng)用于12mm厚的低碳鋼板；6mm厚的不銹鋼板及；20mm厚的非金屬材料。對于三維空間曲線的切割，在汽車、航空工業(yè)中也開始獲得了應(yīng)用。

目前適合采用CO2激光切割的產(chǎn)品大體上可歸納為三類：

激光切割技術(shù)第一類

從技術(shù)經(jīng)濟角度不宜制造模具的金屬鈑金件，特別是輪廓形狀復(fù)雜，批量不大，一般厚度；12mm的低碳鋼、；6mm厚的不銹鋼，以節(jié)省制造模具的成本與周期。已采用的典型產(chǎn)品有：自動電梯結(jié)構(gòu)件、升降電梯面板、機床及糧食機械外罩、各種電氣柜、開關(guān)柜、紡織機械零件、工程機械結(jié)構(gòu)件、大電機硅鋼片等。

激光切割技術(shù)第二類

裝飾、廣告、服務(wù)行業(yè)用的不銹鋼（一般厚度3mm）或非金屬材料（一般厚度20mm）的圖案、標(biāo)記、字體等。如藝術(shù)照相冊的圖案，公司、單位、賓館、商場的標(biāo)記，車站、碼頭、公共場所的中英文字體。

激光切割技術(shù)第三類

要求均勻切縫的特殊零件。最廣泛應(yīng)用的典型零件是包裝印刷行業(yè)用的模切版，它要求在20mm厚的木模板上切出縫寬為0.7~0.8mm的槽，然后在槽中鑲嵌刀片。使用時裝在模切機上，切下各種已印刷好圖形的包裝盒。國內(nèi)近年來應(yīng)用的一個新領(lǐng)域是石油篩縫管。為了擋住泥沙進入抽油泵，在壁厚為6~9mm的合金鋼管上切出0.3mm寬的均勻切縫，起割穿孔處小孔直徑不能0.3mm，切割技術(shù)難度大，已有不少單位投入生產(chǎn)。

國外除上述應(yīng)用外，還在不斷擴展其應(yīng)用領(lǐng)域。

（1）采用三維激光切割系統(tǒng)或配置工業(yè)機器人，切割空間曲線，開發(fā)各種三維切割軟件，以加快從畫圖到切割零件的過程。

（2）為了提高生產(chǎn)效率，研究開發(fā)各種專用切割系統(tǒng)，材料輸送系統(tǒng)，直線電機驅(qū)動系統(tǒng)等，目前切割系統(tǒng)的切割速度已超過100m/min。

（3）為擴展工程機械、造船工業(yè)等的應(yīng)用，切割低碳鋼厚度已超過30mm，并特別注意研究用氮氣切割低碳鋼的工藝技術(shù)，以提高切割厚板的切口質(zhì)量。因此在中國擴大CO2激光切割的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,解決新的應(yīng)用中一些技術(shù)難題仍然是工程技術(shù)人員的重要課題。

CO2激光切割的幾項關(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)：

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/πd2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激光切割工業(yè)應(yīng)用中廣泛采用5〃~7.5〃〞（127~190mm）的焦距。實際焦點光斑直徑在0.1~0.4mm之間。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%范圍內(nèi)，即5mm左右。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的金屬材料，焦點在表面上； 6mm的碳鋼，焦點在表面之上； 6mm的不銹鋼，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：

（1）平行光管。這是一種常用的方法，即在CO2激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（stand off）的Z軸是兩個相互獨立的部分。當(dāng)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。

（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(dāng)切割遠端光程增加時使補償光路縮短；反之當(dāng)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。

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(fù)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激光切割機有兩種穿孔的基該方法：

（1）爆破穿孔：（Blast drilling），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：（Pulse drilling）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(yīng)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激光器不能適應(yīng)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(yīng)以重視。從理論上講通常可改變加速段的切割條件：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。

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(yīng)；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。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，體積較小，是易損零件，需經(jīng)常更換，因此不進行流體力學(xué)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，其壓力稱切割壓力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。

可用下列公式計算：V=8.2d2(Pg 1）

V-氣體流速 L/min

d-噴嘴直徑 mm

Pg-噴嘴壓力（表壓）bar

對于不同的氣體有不同的壓力閾值，當(dāng)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Pn、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=1bar×（1.2）3.5=1.89bar。當(dāng)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(xué)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。為方便制造可采用的結(jié)構(gòu)。德國漢諾威大學(xué)激光中心使用500WCO2激光器，透鏡焦距2.5〃，采用小孔噴嘴和拉伐爾噴嘴分別作了試驗。試驗結(jié)果：分別表示NO2、NO4、NO5噴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。NO2小孔噴嘴在Pn為400Kpa（或4bar）時切割速度只能達到2.75m/min（碳鋼板厚為2mm）。NO4、NO5二種拉伐爾噴嘴在Pn為500Kpa到600Kpa時切割速度可達到3.5m/min和5.5m/min。應(yīng)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0.5~1.5mm，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3~3.5mm，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)正在中國工業(yè)生產(chǎn)中得到越來越多的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，以使這一新技術(shù)在中國獲得更廣泛的應(yīng)用。

這個技術(shù)的應(yīng)用面現(xiàn)在不是很廣，但隨著國家的發(fā)展，今后許多重工業(yè)都需要這門技術(shù)。所以，這個技術(shù)現(xiàn)在不太吃香，可能在未來的15-20年，有機會得到大力發(fā)展

第一章 激光加工技術(shù)緒論

第一節(jié) 激光原理及其特性

第二節(jié) 激光加工技術(shù)概述

第三節(jié) 激光切割技術(shù)概述

第四節(jié) 其他常見激光加工技術(shù)簡介

第二章 激光加工技術(shù)基礎(chǔ)

第一節(jié) 激光加工用激光器

第二節(jié) 激光加工成套設(shè)備系統(tǒng)

第三節(jié) 激光加工用光學(xué)系統(tǒng)

第四節(jié) 激光束參量測量

第三章 激光切割技術(shù)原理及特點

第一節(jié) 激光切割分類及其與其他切割方法比較

第二節(jié) 激光切割機理

第三節(jié) 激光切割的主要特點

第四節(jié) 三維激光切割及其關(guān)鍵技術(shù)

第五節(jié) 激光切割設(shè)備

第四章 激光切割工藝分析

第一節(jié) 激光切割特性分析

第二節(jié) 激光切割控制的難點

第三節(jié) 影響激光切割的軟件因素

第四節(jié) 激光切割鋼板的若干工藝問題分析

第五節(jié) 常用工程材料的激光切割

第五章 激光切割質(zhì)量評價及影響因素

第一節(jié) 激光切割的尺寸精度評價

第二節(jié) 激光切割的切口質(zhì)量評價

第三節(jié) 影響激光切割質(zhì)量的因素

第四節(jié) 三維激光切割質(zhì)量的評定

第五節(jié) TRUMPF激光切割質(zhì)量評估

第六節(jié) 激光切割的現(xiàn)狀、存在的問題及安全防護

第六章 激光切割的實踐應(yīng)用

第一節(jié) 激光切割金屬板材關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用實例

第二節(jié) 激光切割在造船工業(yè)的應(yīng)用

第三節(jié) 三維激光切割在汽車制造中的應(yīng)用

第四節(jié) 光纖激光器及其在激光切割中的應(yīng)用

第七章 激光切割故障信息及故障排除

第一節(jié) CNC及驅(qū)動故障處理

第二節(jié) 激光器故障處理

第三節(jié) 水冷機故障處理

第四節(jié) 空壓機故障處理

第五節(jié) 交換工作臺故障處理

第六節(jié) 激光切割中常見問題分析及解決措施

第七節(jié) 激光切割設(shè)備的維護

附錄

附錄1 激光切割中常用材料切割規(guī)范

附錄2 常見激光器種類及其典型技術(shù)參數(shù)

附錄3 500W固體激光器的切割參數(shù)

附錄4 國內(nèi)主要大功率激光加工設(shè)備制造企業(yè)名錄

附錄5 國外主要大功率激光設(shè)備制造企業(yè)名錄

2100433B

激光切割單位

一類是大中型制造企業(yè)，這些企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品中有大量板材需要下料、切料，并且具有較強的經(jīng)濟和技術(shù)實力

激光切割加工站

另一類單位是加工站（國外稱Job Shop），加工站是專門對外承接激光加工業(yè)務(wù)的，自身無主導(dǎo)產(chǎn)品。它的存在一方面可滿足一些中小企業(yè)加工的需要；一方面在初期對推廣應(yīng)用激光切割技術(shù)起到宣傳示范的作用。1999年美國全國共有激光加工站2700家，其中51%從事激光切割工作。八十年代中國激光加工站主要從事激光熱處理工作，九十年代后，激光切割及攻站逐步增加。在此基礎(chǔ)上隨著中國大中型企業(yè)體制改革的深入和經(jīng)濟實力的增強，越來越多的企業(yè)將采用CO2激光切割技術(shù)。

從目前國內(nèi)應(yīng)用情況分析，CO2激光切割廣泛應(yīng)用于12mm厚的低碳鋼板；6mm厚的不銹鋼板及；20mm厚的非金屬材料。對于三維空間曲線的切割，在汽車、航空工業(yè)中也開始獲得了應(yīng)用。

⑴ 切割質(zhì)量好

①激光切割切口細窄，切縫兩邊平行并且與表面垂直，切割零件的尺寸精度可達±0.05mm。

② 切割表面光潔美觀，表面粗糙度只有幾十微米，甚至激光切割可以作為最后一道工序，無需機械加工，零部件可直接使用。

③ 材料經(jīng)過激光切割后，熱影響區(qū)寬度很小，切縫附近材料的性能也幾乎不受影響，并且工件變形小，切割精度高，切縫的幾何形狀好，切縫橫截面形狀呈現(xiàn)較為規(guī)則的長方形。激光切割、氧乙炔切割和等離子切割方法的比較見表1，切割材料為6.2mm厚的低碳鋼板。

⑵ 切割效率高

由于激光的傳輸特性，激光切割機上一般配有多臺數(shù)控工作臺，整個切割過程可以全部實現(xiàn)數(shù)控。操作時，只需改變數(shù)控程序，就可適用不同形狀零件的切割，既可進行二維切割，又可實現(xiàn)三維切割。

⑶ 切割速度快

用功率為1200W的激光切割2mm厚的低碳鋼板，切割速度可達600cm/min；切割5mm厚的聚丙烯樹脂板，切割速度可達1200cm/min。材料在激光切割時不需要裝夾固定。

⑷ 非接觸式切割

激光切割時割炬與工件無接觸，不存在工具的磨損。加工不同形狀的零件，不需要更換“刀具”，只需改變激光器的輸出參數(shù)。激光切割過程噪聲低，振動小，無污染。

⑸ 切割材料的種類多

與氧乙炔切割和等離子切割比較，激光切割材料的種類多，包括金屬、非金屬、金屬基和非金屬基復(fù)合材料、皮革、木材及纖維等。但是對于不同的材料，由于自身的熱物理性能及對激光的吸收率不同，表現(xiàn)出不同的激光切割適應(yīng)性。采用CO2激光器，各種材料的激光切割性能見表2。

缺點

激光切割由于受激光器功率和設(shè)備體積的限制，激光切割只能切割厚度較低的板材和管材，工件厚度的增加，切割速度明顯下降。

激光切割設(shè)備費用高，一次性投資大。

激光切割的應(yīng)用范圍

大多數(shù)激光切割機都由數(shù)控程序進行控制操作或做成切割機器人。激光切割作為一種精密的加工方法，幾乎可以切割所有的材料，包括薄金屬板的二維切割或三維切割。

在汽車制造領(lǐng)域，小汽車頂窗等空間曲線的切割技術(shù)都已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。德國大眾汽車公司用功率為500W的激光器切割形狀復(fù)雜的車身薄板及各種曲面件。在航空航天領(lǐng)域，用激光切割加工的航空航天零部件有發(fā)動機火焰筒、鈦合金薄壁機匣、飛機框架、鈦合金蒙皮、機翼長桁、尾翼壁板、直升機主旋翼、航天飛機陶瓷隔熱瓦等。

激光切割成形技術(shù)在非金屬材料領(lǐng)域也有著較為廣泛的應(yīng)用。如氮化硅、陶瓷、石英等；柔性材料，如布料、紙張、塑料板、橡膠等。

處于其焦點處的工件受到高功率密度的激光光斑照射，會產(chǎn)生10000°C以上的局部高溫，使工件瞬間汽化，再配合輔助切割氣體將汽化的金屬吹走，從而將工件切穿成一個很小的孔，隨著數(shù)控機床的移動，無數(shù)個小孔連接起來就成了要切的外形。由于激光切割的頻率非常高，所以每個小孔連接處非常光滑，切割出來的產(chǎn)品光潔度很高。