一、激光切割的原理

激光切割是由電子放電作為供給能源，通過He、N2、CO2等混合氣體為激發(fā)媒介，利用反射鏡組聚焦產(chǎn)生激光光束，從而對材料進行切割。

激光切割的過程：在數(shù)控程序的激發(fā)和驅(qū)動下，激光發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生出特定模式和類型的激光，經(jīng)過光路系統(tǒng)傳送到切割頭，并聚焦于工件表面，將金屬熔化；同時,噴嘴從與光束平行的方向噴出輔助氣體將熔渣吹走；在由程控的伺服電機驅(qū)動下，切割頭按照預定路線運動，從而切割出各種形狀的工件。

二、機床結構

SLCF-X15×40F數(shù)控激光切割機是意大利普瑞瑪（PRIMA）工業(yè)公司的主導機型——懸臂式飛行光路結構的激光切割機，加工板材尺寸為1500×4000毫米，配有交換工作臺。

該機型的主要特點如下：

1、懸臂式開式結構，可從三個方向上下料，人機接近性極好，可放置超長超寬的板材。
2、可移動式切割工作臺與主機分離，柔性大?？杉友b焊接、切管等功能。
3、精密傳動部件不在切割區(qū)域內(nèi)，防護容易，也不會由于工作臺及床身切割熱變形影響機床的精度。
4、從根本上消除了電器雙邊同步鎖產(chǎn)生的誤差，避免了橫梁的扭動，使得光路穩(wěn)定，切割精度提高。
5、配有高速的Z軸系統(tǒng)，同時可通過數(shù)控系統(tǒng)控制輔助氣體的壓力、流量等，大大提高了加工效率。
6、新型的PM—400V2.0智能化編程軟件，具有蛙跳、共邊切割、優(yōu)化套排料、高效穿孔、尖角處理等功能。
7、具有先進的多腔分室除塵系統(tǒng)，比單純的抽風系統(tǒng)除塵效果更高。

機床的結構主要由以下幾部分組成：

1、床身

全部光路安置在機床的床身上，床身上裝有橫梁、切割頭支架和切割頭工具，通過特殊的設計，消除在加工期間由于軸的加速帶來的振動。機床底部分成幾個排氣腔室，當切割頭位于某個排氣室上部時，閥門打開，廢氣被排出。通過支架隔架，小工件和料渣落在廢物箱內(nèi)。

2、工作臺

移動式切割工作臺與主機分離，柔性大，可加裝焊接、切管等功能。配有兩張1.5米×4米的工作臺可供交換使用，當一個工作臺在進行切割加工的同時，另一張工作臺可以同時進行上下料操作，有效提高工作效率。兩個工作臺可通過編程或按鈕自動交換。工作臺下方配有小車收集裝置，切割的小料及金屬粉末會集中收集在小車中。

3、切割頭

是光路的最后器件，其內(nèi)置的透鏡將激光光束聚焦，標準切割頭焦距有5英寸和7.5英寸(主要用于割厚板)兩種。良好的切割質(zhì)量與噴嘴和工件的間距有關，本機切割頭使用德國PRECITEC公司生產(chǎn)的非接觸式電容傳感頭，在切割過程中可實現(xiàn)自動跟蹤與修正工件表面與噴嘴的間距，調(diào)整激光焦距與板材的相對位置，以消除因被切割板材的不平整對切割材料造成的影響。自動找準材料的擺放位置（紅光指示器）。

4、控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括數(shù)控系統(tǒng)（集成可編程序控制器PLC）、電控柜及操作臺。PMC-1200數(shù)控系統(tǒng)由32位CPU控制單元、數(shù)字伺服單元、數(shù)字伺服電機、電纜等組成，采用全中文才做界面，10.4"彩色液晶顯示器，能實現(xiàn)機外編程計算機與機床的控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸通訊（具有232接口），具有加速、突變限制；具有圖形顯示功能，可對激光器的各種狀態(tài)進行在線和動態(tài)控制功能。

5、激光控制柜

控制和檢查激光器的功能，并顯示系統(tǒng)的壓力、功率、放電電流和激光器的運行模式。

6、激光器

采用原裝進口德國ROFIN公司SLAB3000W型激光發(fā)生器，是目前世界先進的RF激勵板式放電的二氧化碳激光器。其心臟是諧振腔,激光束就在這里產(chǎn)生，激光氣體是由二氧化碳﹑氮氣﹑氦氣的混合氣體，通過渦輪機使氣體沿諧振腔的軸向高速運動，氣體在前后兩個熱交換器中冷卻，以利于高壓單元將能量傳給氣體。

7、冷卻設備

冷卻激光器、激光氣體和光路系統(tǒng)。

8、除塵裝置

內(nèi)置管道及風機，改善了工作環(huán)境。切割區(qū)域內(nèi)裝有大通徑除塵管道及大全壓的離心式除塵風機，加之全封閉的機床床身及分段除塵裝置，具有較好的除塵效果。

9、供氣系統(tǒng)

包括氣源、過濾裝置和管路。氣源含瓶裝氣和壓縮空氣（空氣壓縮機、冷干機）。
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設備的技術參數(shù)：

ROFIN3000WCO2激光發(fā)生器技術參數(shù)：

三、切割方法

不同的材料，切割方法不一樣，主要分為熔化切割、氧化切割、氣化切割、導向斷裂切割等。

反比例地減小。在激光功率一定的情況下，限制因數(shù)就是割縫處的氣壓和材料的熱傳導率。

2、氧化切割

與熔化切割不同，激光氧化切割使用活潑的氧氣作為輔助氣體。由于氧與已經(jīng)熾熱了的金屬材料發(fā)生化學反應，釋放出大量的熱，結果是材料進一步被加熱。

材料表面在激光束照射下很快被加熱到燃點溫度，與氧氣發(fā)生激烈的燃燒反應，放出大量熱量，在此熱量作用下，材料內(nèi)部形成充滿蒸汽的小孔，而小孔周圍被熔化的加工材料所包圍。

燃燒物質(zhì)轉(zhuǎn)移成熔渣，控制氧和加工材料的燃燒速度，氧氣流速越高，燃燒化學反應和去除熔渣的速度也越快。但是，如果氧氣速度過快，將導致割縫出口處的反應產(chǎn)物即金屬氧化物的快速冷卻，對切割質(zhì)量造成不利影響。

切割過程存在兩個熱源：激光束照射能和化學反應所產(chǎn)生的熱能。據(jù)估計，切割碳鋼時，氧化反應所產(chǎn)生的熱能占切割所需能量的60%。

在氧化切割過程中，如果氧化燃燒的速度高于激光束移動的速度，割縫將變寬且粗糙，反之，如果移動速度慢，則割縫窄而光滑。

3、氣化切割

激光束焦點處功率密度非常高，可達106W/cm2以上，激光光能轉(zhuǎn)換成熱能，保持在極小的范圍內(nèi)，材料很快被加熱至氣化溫度，部分材料氣化為蒸汽逸去，部分材料被輔助氣體吹走，隨著激光束與材料之間的連續(xù)不斷的相對運動，便形成寬度很窄（如0.2mm）的割縫。這種切割方法的功率密度在108W/cm2左右。一些不能熔化的材料如木材、碳素材料和某些塑料即通過這種方法進行切割。

激光氧化切割在加工精密模型和尖角時是不好的（有燒掉尖角的危險）?？梢允褂妹}沖模式的激光來限制熱影響。

所用的激光功率決定切割速度。在激光功率一定的情況下，限制因數(shù)就是氧氣的供應和材料的熱傳導率。

4、導向斷裂切割

對于容易受熱破壞的脆性材料，通過激光束加熱進行高速、可控的切斷，稱為導向斷裂切割。這種切割過程主要內(nèi)容是：激光束加熱脆性材料小塊區(qū)域，引起該區(qū)域大的熱梯度和嚴重的機械變形，導致材料形成裂縫。只要保持均衡的加熱梯度，激光束可引導裂縫在任何需要的方向產(chǎn)生。

選擇切割方法，需考慮它們的特點和板件的材料，有時也要考慮切割的形狀。由于氣化相對熔化需要更多的熱量，因此激光熔化切割的速度比激光氣化切割的速度快，激光氧化切割則借助氧氣與金屬的反應熱使速度更快；同時，氧化切割的切縫寬，粗糙度高，熱影響區(qū)大因此切縫質(zhì)量相對較差，而熔化切割割縫平整，表面質(zhì)量高，氣化切割因沒有熔滴飛濺，切割質(zhì)量最好。另外，熔化切割和氣化切割可獲得無氧化切縫，對于有特殊要求的切割有重要意義。

一般的材料可用氧化切割完成，如果要求表面無氧化，則須選擇熔化切割，氣化切割一般用于對尺寸精度和表面光潔度要求很高的情況，故其速度也最低。另外，切割的形狀也影響切割方法，在加工精細的工件和尖銳的角時，氧化切割可能是危險的，因為過熱會使細小部位燒損。
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四、運行模式

激光器經(jīng)常運行在連續(xù)輸出模式，為了得到最佳的切割質(zhì)量，對于給定的材料，有必要調(diào)整進給速率，例如拐彎時的加速，減速和延時。因此，在連續(xù)輸出模式下，降低功率是不夠的，必須通過變化脈沖來調(diào)整激光功率。

在連續(xù)模式下，激光輸出的功率是恒定的，這使得進入板料的熱量比較均勻，它適合于一般情況下較快速的切割，一方面可以提高工作效率，另一方面也是避免熱量集中導致熱影響區(qū)組織惡變的需要。

調(diào)制模式的激光功率是切割速度的函數(shù)，它可以通過限制在各點處的功率使進入板料的熱量保持在相當?shù)牡退?，從而防止切縫邊緣的燒傷。由于它的控制比較復雜，因此效率不是很高，只在短時段內(nèi)使用。

脈沖模式雖可細分為三種情況，實質(zhì)上只是強度的差別，往往根據(jù)材料的特性和結構的精度來選擇。

五、激光切割的特點

1、激光切割的切縫窄，工件變形小

激光束聚焦成很小的光點，使焦點處達到很高的功率密度。這時光束輸入的熱量遠遠超過被材料反射、傳導或擴散的部分，材料很快加熱至汽化程度，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。切邊受熱影響很小，基本沒有工件變形。

切割過程中還添加與被切材料相適合的輔助汽體。碳鋼切割時利用氧作為輔助汽體與熔融金屬產(chǎn)生放熱化學反應氧化材料，同時幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣。切割聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣，棉、紙等易燃材料切割使用惰性汽體。進入噴嘴的輔助汽體還能冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導致鏡片過熱。

大多數(shù)有機與無機材料都可以用激光切割。在工業(yè)制造系統(tǒng)占有份量很重的金屬加工業(yè)，許多金屬材料，不管它是什么樣的硬度，都可以進行無變形切割。當然，對高反射率材料，如金、銀、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導體，因此激光切割很困難，甚至不能切割。

激光切割無毛刺、皺折、精度高，優(yōu)于等離子切割。對許多機電制造行業(yè)來說，由于微機程序控制的現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件，它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用；盡管它加工速度還慢于模沖，但它沒有模具消耗，無須修理模具，還節(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，所以從總體上考慮是更合算的。

2、激光切割是一種高能量、密度可控性好的無接觸加工

激光束聚焦后形成具有極強能量的很小作用點，把它應用于切割有許多特點。首先，激光光能轉(zhuǎn)換成驚人的熱能保持在極小的區(qū)域內(nèi)，可提供：（1）狹窄的直邊割縫；（2）最小的鄰近切邊的熱影響區(qū)；（3）極小的局部變形。

其次，激光束對工件不施加任何力，它是無接觸切割工具，這就意味著：（1）工件無機械變形；（2）無刀具磨損，也談不上刀具的轉(zhuǎn)換問題；（3）切割材料無須考慮它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料的硬度影響，任何硬度的材料都可以切割。

再次，激光束可控性強，并有高的適應性和柔性，因而：（1）與自動化設備相結合很方便，容易實現(xiàn)切割過程自動化；（2）由于不存在對切割工件的限制，激光束具有無限的仿形切割能力；（3）與計算機結合，可整張板排料，節(jié)省材料。

3、激光切割具有廣泛的適應性和靈活性

與其它常規(guī)加工方法相比，激光切割具有更大的適應性。與其他熱切割方法相比，同樣作為熱切割過程，別的方法不能象激光束那樣作用于一個極小的區(qū)域，結果導致切口寬、熱影響區(qū)大和明顯的工件變形。激光能切割非金屬，而其它熱切割方法則不能。

六、氣體參數(shù)的控制

在實際的激光切割過程中，還要有輔助氣體的參與。輔助氣體不但可以將熔渣及時吹走，還起到冷卻工件和清潔透鏡的作用，選用不同的輔助氣體，更能夠改變切割的速度及割縫表面質(zhì)量，對特殊金屬的切割具有重大意義。

影響氣體的參數(shù)包括氣體類型、氣體壓力和噴嘴直徑。

輔助氣體類型

輔助氣體類型有氧氣、空氣、氮氣和氬氣。氧氣適合于厚板切割、高速切割和極薄板切割；空氣適合于鋁板、非金屬及鍍鋅鋼板的切割，在一定程度上它可以減少氧化膜且節(jié)省成本；氮氣作為切割時的保護氣體可防氧化膜發(fā)生，防止燃燒(在板料較厚時容易發(fā)生)；氬氣用于鈦金屬切割。

氣體壓力

氣體壓力分高壓和低壓兩種,根據(jù)激光機的技術參數(shù)，高壓最大為20兆帕，低壓最大為5兆帕。選擇壓力的依據(jù)有板料厚度、切割速度、熔化金屬的粘度和激光功率。當料厚較大，切速較快，金屬液體的粘度較高時,可選用高一些的壓力；相反，對于薄料、慢速切割或液態(tài)粘度小的金屬，則可選擇適當?shù)牡蛪骸９β瘦^大時適當增加氣體壓力對冷卻周圍材料是有益的,它適用于有特殊要求的場合。不管選用怎樣的壓力，其原則都是在保證吹渣效果的前提下盡可能經(jīng)濟。

噴嘴直徑

噴嘴直徑的選取與氣體壓力的選擇原則上是一樣的,但它還與切割方法有關。對于以氧氣作為輔助氣體的切割，由于金屬的燃燒，割縫較寬，要想迅速有效地吹走熔渣，得選用大直徑的噴嘴才行，對于采用脈沖切割的場合，割縫較小,不宜選用太大的噴嘴。有時噴嘴大小的選擇會與壓力選擇相矛盾,在不能兩全的情況下,通過調(diào)節(jié)噴嘴與切縫的距離也能起到一定的作用。常用的噴嘴直徑是1.5和2.0的。
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七、材料特性與激光加工的關系

工件切割的結果可能是切縫干凈，也可能相反，切縫底部掛渣或切縫上帶有燒痕，其中很大的一部分是由材料引起的。影響切割質(zhì)量的因素有：合金成分、材料顯微結構、表面質(zhì)量、表面處理、反射率、熱導率、熔點及沸點。

通常合金成分影響材料的強度﹑可焊性﹑高氧化性和耐腐蝕性，所以含碳量越高越難切割；晶粒細小切縫品質(zhì)好；如果材料表面有銹蝕，或有氧化層，熔化時因氧化層與金屬的性質(zhì)不同，使表面產(chǎn)生難熔的氧化物，也增加了熔渣，切縫會呈不規(guī)則狀；表面粗造減少了反光度，提高熱效率，經(jīng)噴丸處理后切割質(zhì)量要好許多。導熱率低則熱量集中，效率高。

因此，越是晶粒細小、表面粗糙、無銹蝕、導熱率低的材料越容易加工，而含碳量高、表面有鍍層或涂漆、反光率高的材料較難切割。含碳量高的金屬多屬于熔點比較高的金屬，由于難以熔化，增加了切穿的時間。一方面，它使得割縫加寬，表面熱影響區(qū)擴大，造成切割質(zhì)量的不穩(wěn)定；

另一方面，合金成分含量高，使液態(tài)金屬的粘度增加，使飛濺和掛渣的比率提高，加工時對激光功率、氣吹壓力的調(diào)節(jié)都提出了更高的要求。鍍層和涂漆加強的光的反射，使熔融因難；同時，也增加了熔渣的產(chǎn)生。

八、激光切割應注意的問題

前面分析了激光切割最主要的幾個技術參數(shù)，它們決定了切割工藝的主要方面，但并不是只要把握了這就一定能加工出高質(zhì)量的產(chǎn)品，還有幾個問題是特別需要引起注意的：

1、切速的選擇

激光切割的速度最大可達200—300mm/s，實際加工時往往只有最大速的1/3—1/2，因為速度越高，伺服機構的動態(tài)精度就越低，直接影響切割質(zhì)量。有實驗表明，切割圓孔時，切速越高，孔徑越小，加工的孔圓度就越差。只有在長邊直線切割時才可以使用最大速切割以提高效率。

2、切割的引線和尾線

在切割操作中，為了使割縫銜接良好，防止始端和終點燒傷，常常在切割開始和結束處各引一段過渡線，分別稱作引線和尾線。引線和尾線對工件本身是沒有用的,因此要安排在工件范圍之外，同時注意不能將引線設置在尖角等不易散熱處。引線與割縫的連接盡量采用圓弧過渡，使機器運動平穩(wěn)并避免轉(zhuǎn)角停頓造成燒傷。

3、尖角的加工

用走圓弧加工出鈍角

如有可能，避免加工沒有圓弧的角。帶圓弧的角有下列好處：ａ）軸運動的動態(tài)性能好；ｂ）熱影響區(qū)??；c）產(chǎn)生的毛刺少。對于不帶圓角的邊角，可以設定的最大半徑是切縫寬度的一半。此時切割出來的邊角是沒有圓角的。

用圓孔成角法在薄板上切割尖角

當在薄板上高速切割時，建議使用圓孔成角法切割尖角，它有下列好處：ａ）切割尖角時，軸向變化均勻；ｂ）切角時，切速恒定；ｃ）防止了軸振動，避免毛刺生成；ｄ）尖角處的熱影響區(qū)小。

用延時法在厚板上切割尖角

切割厚板時，如果還使用圓孔成角法，尖角周圍會過熱，此時應采用參數(shù):“Criticalangle,dwelltime”來切割尖角，機器運動到尖角處，停頓特定的時間，然后繼續(xù)轉(zhuǎn)向運動。

九、激光所用氣體

激光所用氣體包括激光器工作和保護氣體以及切割輔助氣體。

激光器工作氣體用于產(chǎn)生激光，保護氣體用于保護光學器件、驅(qū)動光閘。激光器工作氣體由氦氣、氮氣、二氧化碳氣體按照一定比例混合，這個比例在工廠預定好，確保最佳性能，不要隨便調(diào)整，比例不當，可能會造成激光系統(tǒng)的失效和高壓電源的損害。激光器所用氣體均為高純度，均在99.999%以上.

切割輔助氣體主要是N2或O2，有的材料切割可以使用壓縮空氣作為切割輔助氣體。N2切割的切割面比較光亮；O2切割的切割面由于材料被氧化而發(fā)黑。切割輔助氣體的純度越高，切割面的質(zhì)量越好。

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