激光切割機械零件：激光切割的材料分析

1、激光切割機械零件：激光切割機的部件

2、激光切割機械零件：激光切割的材料分析

CO2激光切割技術(shù)相對于其他方法的優(yōu)點(diǎn)是：

切割質(zhì)量好

切口寬度窄（一般為0、1--0、5mm），精度高（一般孔中心距誤差0、1--0、4mm，輪廓尺寸誤差0、1--0、5mm），切口表面粗糙度好（一般Ra為12、5--25μm），切縫一般無(wú)需再加工即可焊接。切割速度快

例如使用2KW激光功率，8mm厚碳鋼切割速度為100； 2mm厚不銹鋼切削速度為100、熱影響區小，變形極小。清潔、安全、無(wú)污染

大大改善了操作人員的工作環(huán)境。當然，CO2激光切割在精度和切割表面粗糙度方面無(wú)法超過(guò)電加工；在切割厚度方面，很難達到火焰和等離子切割的水平。然而，上述顯著(zhù)優(yōu)勢足以證明CO2激光切割已經(jīng)并且正在取代部分傳統切割工藝方法，尤其是各種非金屬材料的切割。它是一種發(fā)展迅速、應用廣泛的先進(jìn)加工方法。

1990年代以來(lái)，由于我國社會(huì )主義市場(chǎng)經(jīng)濟的發(fā)展，企業(yè)之間的競爭十分激烈，每個(gè)企業(yè)都必須根據自身情況正確選擇某些先進(jìn)的制造技術(shù)，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此，CO2激光切割技術(shù)在中國取得了飛速發(fā)展。 (1)定向光的普通光源向各個(gè)方向發(fā)光。為了使發(fā)射的光向一個(gè)方向傳播，需要在光源上安裝一定的聚光裝置。例如，汽車(chē)的前照燈和探照燈都裝有具有聚光作用的反光鏡，使輻射光向一個(gè)方向聚集和發(fā)射。激光器發(fā)出的激光本質(zhì)上是向一個(gè)方向發(fā)射的，光束的發(fā)散度極小，只有0、弧度左右，接近于平行。 2008年，人類(lèi)首次使用激光照亮月球。地球與月球之間的距離約為38萬(wàn)公里，但月球表面的激光光斑不到兩公里。如果聚光效果很好，那看似平行的探照燈柱就會(huì )對準月球，根據光斑的直徑覆蓋整個(gè)月球。

(2)極高的亮度 在激光發(fā)明之前，高壓脈沖氙燈在人造光源中亮度最高，可與太陽(yáng)的亮度媲美，而紅寶石的激光亮度激光可以超過(guò)氙燈的數百億倍。因為激光太亮了，它可以照亮遠處的物體。紅寶石激光器發(fā)出的光束在月球上產(chǎn)生約0、02勒克斯（照度單位）的照度，顏色為鮮紅色，激光光斑清晰可見(jiàn)。如果用最強大的探照燈照亮月球，所產(chǎn)生的照度只有大約萬(wàn)億分之一勒克斯，人眼根本無(wú)法察覺(jué)。激光亮度極高的主要原因是定向發(fā)光。大量光子在極小的空間內集中發(fā)射，能量密度自然極高。激光的亮度與太陽(yáng)光的比值以百萬(wàn)計，它是由人類(lèi)創(chuàng )造的。激光的顏色 激光的顏色取決于激光的波長(cháng)，而波長(cháng)又取決于發(fā)射激光的活性物質(zhì)，即受刺激時(shí)產(chǎn)生激光的物質(zhì)。刺激紅寶石會(huì )產(chǎn)生深玫瑰色激光束，用于醫學(xué)，例如治療皮膚病和手術(shù)。眾所周知，最有價(jià)值的氣體之一是氬氣，它會(huì )產(chǎn)生藍綠色激光束，它有很多用途，例如激光打印，在顯微眼科手術(shù)中也是必不可少的。半導體產(chǎn)生的激光發(fā)射紅外光，所以我們肉眼看不見(jiàn)，但它的能量正好可以讀取光盤(pán)，可以用于光纖通信。激光分離技術(shù) 激光分離技術(shù)主要是指激光切割技術(shù)和激光鉆孔技術(shù)。激光分離技術(shù)將能量集中到一個(gè)微小的空間中，可以獲得~/cm2的極高輻照功率密度。這種高密度能量用于非接觸、高速和高精度的加工方法。在如此高的光功率密度的照射下，幾乎任何材料都可以進(jìn)行激光切割和沖壓。激光切割技術(shù)是擺脫傳統機械切割、熱處理切割等的一種新型切割方式，具有切割精度更高、粗糙度更低、切割方式更靈活、生產(chǎn)效率更高等特點(diǎn)。作為在固體材料上鉆孔的方法之一、激光鉆孔已成為一種具有特定應用的加工技術(shù)，主要應用于航空、航天和微電子等行業(yè)。 （3）顏色 極純光的顏色是由光的波長(cháng)（或頻率）決定的。某些波長(cháng)對應于某些顏色。太陽(yáng)光的波長(cháng)分布在0、76微米到0、4微米左右，對應的顏色是從紅色到紫色的7種顏色，所以太陽(yáng)光不是單色的。發(fā)出單一顏色光的光源稱(chēng)為單色光源，它發(fā)出單一波長(cháng)的光。例如氪燈、氦燈、氖燈、氫燈等都是單色光源，只發(fā)出某種顏色的光。單色光源的光波波長(cháng)雖然單一、但仍有一定的分布范圍。比如霓虹燈只發(fā)出紅光，它的單色性非常好。它被稱(chēng)為單色之冠。波長(cháng)分布范圍仍為0、0納米。因此，霓虹燈發(fā)出的紅光，若仔細辨認，仍包含數十種。紅色的?？梢钥闯?，光輻射的波長(cháng)分布區間越窄，單色性越好。激光輸出的光具有非常窄的波長(cháng)分布，因此顏色非常純正。以氦氖激光器輸出紅光為例，其光的波長(cháng)分布可窄至2×10^-9納米，是氪燈發(fā)出的紅光波長(cháng)分布的千分之二、可以看出，激光的單色性遠遠超過(guò)任何單色光源。 (4)能量密度最高的光子的能量由E=hv計算，其中h為普朗克常數，v為頻率?？梢钥闯?，頻率越高，能量越高。激光頻率范圍為 3、*10^(14)Hz 至 7、(14)Hz。電磁波譜大致可以分為：（1）無(wú)線(xiàn)電波——波長(cháng)從幾公里到0、3米左右，一般的電視和無(wú)線(xiàn)電廣播（2）微波——波長(cháng)從0、3米到10^-3米，這些波多用在雷達或其他通信系統中； (3)紅外線(xiàn)——波長(cháng)從10^-3米到7、8×10^-7米； (4) 可見(jiàn)光——這是人們可以感知的很窄的波段。波長(cháng)來(lái)自——。光是原子或分子中的電子改變其運動(dòng)狀態(tài)時(shí)發(fā)出的電磁波。因為它是電磁波中我們可以直接感知和感知的部分； (5)紫外線(xiàn)——波長(cháng)從3×10^-7米到6×10^-10米。這些波的產(chǎn)生原因與光波相似，并且通常在放電期間發(fā)射。因為它的能量與一般化學(xué)反應所涉及的能量相當，所以紫外線(xiàn)的化學(xué)作用最強； (6)倫琴射線(xiàn)——這部分電磁波譜，波長(cháng)從2×10^-9米到6×10^-12米。當電原子的內部電子從一種能態(tài)躍遷到另一種能態(tài)時(shí)或當電子在核電場(chǎng)中減速時(shí)，就會(huì )發(fā)射倫琴射線(xiàn)（X射線(xiàn)）； (7) 伽馬射線(xiàn) - 波長(cháng)從 10^- 10 ~ 10^-14 米的電磁波。這種看不見(jiàn)的電磁波是從原子核發(fā)出的，這種輻射往往伴隨著(zhù)放射性物質(zhì)或核反應。伽馬射線(xiàn)具有很強的穿透力，對生物的破壞性很大。從這個(gè)角度來(lái)看，激光能量不是很大，但是它的能量密度很大（因為它的作用范圍很小，一般只有一點(diǎn)），短時(shí)間內就聚集了大量的能量，而且它可以用作武器。明白了。編輯本段 激光器的其他特點(diǎn) 激光器有很多特點(diǎn)：首先，激光器是單色的，或者說(shuō)是單頻的。有一些激光器可以同時(shí)產(chǎn)生不同頻率的激光器，但這些激光器相互隔離，單獨使用。其次，激光是相干光。相干光的特點(diǎn)是它的所有光波都是同步的，整個(gè)光束就像一個(gè)“波列”。同樣，激光高度集中，這意味著(zhù)它必須經(jīng)過(guò)很長(cháng)的距離才能分散或會(huì )聚。激光 (LASER) 是 1960 年代發(fā)明的光源。 LASER是英文“Light Amplification by Stimulated Emission”的首字母縮寫(xiě)。激光有很多種，從幾個(gè)足球場(chǎng)到一粒米或一粒鹽不等。氣體激光器包括氦氖和氬激光器；固態(tài)激光器包括紅寶石激光器；半導體激光器包括激光二極管，例如 CD 播放器、DVD 播放器和 CD-ROM 中的激光二極管。每個(gè)激光器都有其獨特的產(chǎn)生激光的方法。適合CO2激光切割的產(chǎn)品大致可分為三類(lèi)：

第一類(lèi)：從技術(shù)經(jīng)濟角度看不適合制造模具的金屬鈑金件，尤其是輪廓復雜、小批量、一般低厚度；碳鋼、6mm厚不銹鋼，節省制作模具的成本和周期。已使用的典型產(chǎn)品有：自動(dòng)電梯結構件、電梯面板、機床及食品機械罩蓋、各種電器柜、開(kāi)關(guān)柜、紡織機械配件、工程機械結構件、大型電機硅鋼片等。

第二類(lèi)：用于裝飾、廣告、服務(wù)行業(yè)的不銹鋼（一般厚度3mm）或非金屬材料（一般厚度）的圖案、標記、字體等。如藝術(shù)相冊的圖案，公司、單位、酒店、商場(chǎng)的標志，車(chē)站、碼頭、公共場(chǎng)所的中英文字體。

第三類(lèi)：需要均勻切縫的特殊零件。應用最廣泛的典型零件是包裝印刷行業(yè)使用的模切板，需要在厚木模板上切出槽寬為0、7~0、8mm的槽，然后在槽中插入刀片。在模切機上使用時(shí)，切割各種印刷圖形的包裝盒。我國近年應用的一個(gè)新領(lǐng)域是油篩管。為防止泥沙進(jìn)入油泵，在壁厚6~9mm的合金鋼管上切出一條0、3mm寬的均勻狹縫。穿孔起點(diǎn)處小孔的直徑不應大于0、3mm。切割技術(shù)難度大，已有多臺機組投產(chǎn)。除上述應用外，國外也在不斷拓展應用領(lǐng)域。

⑴使用3D激光切割系統或配置工業(yè)機器人切割空間曲線(xiàn)，開(kāi)發(fā)各種3D切割軟件，加快從繪圖到切割零件的過(guò)程。 

2 為提高生產(chǎn)效率，研發(fā)了各種專(zhuān)用切割系統、物料輸送系統、直線(xiàn)電機驅動(dòng)系統等。

⑶ 為擴大工程機械、船舶工業(yè)等領(lǐng)域的應用，切割低碳鋼的厚度已經(jīng)超過(guò)，特別重視氮切割低碳鋼技術(shù)的研究，因此以提高厚板的切割質(zhì)量。因此，拓展我國CO2激光切割的工業(yè)應用領(lǐng)域，解決一些新應用領(lǐng)域的技術(shù)難題，仍然是工程技術(shù)人員面臨的重要課題。 CO2激光切割的幾項關(guān)鍵技術(shù)是光、機、電一體化技術(shù)。

激光束的參數、機床和數控系統的性能和精度直接影響激光切割的效率和質(zhì)量。特別是對于切割精度高或厚度大的零件，必須掌握和解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

焦點(diǎn)位置控制技術(shù)

焦點(diǎn)位置控制技術(shù)：激光切割的優(yōu)點(diǎn)之一是光束的能量密度高度，一般/cm2、由于能量密度與4/πd2成正比，焦斑直徑盡可能小，以產(chǎn)生窄縫；同時(shí)，焦斑的直徑也與鏡頭的焦深成正比。聚焦透鏡的焦深越小，焦斑直徑越小。但切割時(shí)有飛濺，鏡片離工件太近，容易損壞鏡片。因此，5"~7、5"（~）的焦距在大功率CO2激光切割的工業(yè)應用中得到廣泛應用。實(shí)際焦斑直徑在 0、1~0、4mm 之間 為了獲得高質(zhì)量的切割，有效焦深還與鏡片直徑和被切割材料有關(guān)。比如用5英寸的鏡頭切割碳鋼，焦深在焦距的+2%范圍內，也就是5mm左右。因此，控制重點(diǎn)相對于被切割材料表面的位置非常重要?？紤]切割質(zhì)量、切割速度等因素，原則上6mm碳鋼重心在表面以上； 6mm不銹鋼，重點(diǎn)在表面以下。具體尺寸由實(shí)驗確定。

工業(yè)生產(chǎn)中確定焦點(diǎn)位置的三種簡(jiǎn)單方法： (1)印刷方式：使切割頭上下移動(dòng)，在塑料板上進(jìn)行激光束印刷，并專(zhuān)注于最小的印刷直徑。 (2)斜板法：用與垂直軸成一定角度放置的塑料板水平拉動(dòng)，找到激光束的最小點(diǎn)作為焦點(diǎn)。 (3)藍色火花法：取下噴嘴，吹氣，將脈沖激光打在不銹鋼板上，使切割頭從上到下向下移動(dòng)，直到最大的藍色火花為焦點(diǎn)。對于飛行光路的切割機，由于光束的發(fā)散角，切割的近端和遠端之間的距離不同，聚焦前的光束大小也不同。入射光束的直徑越大，焦點(diǎn)的直徑越小。為了減少聚焦前光束尺寸變化引起的焦斑尺寸變化，國內外激光切割系統制造商提供了一些特殊裝置供用戶(hù)選擇：

⑴準直管。這是一種常用的方法，即在CO2激光器的輸出端加一根平行光管進(jìn)行擴束處理，擴束后的光束直徑變大，發(fā)散角變小，使近端和遠端在切削工作范圍內的末端減小。末端聚焦前的光束大小幾乎相同。

2 在切割頭上增加一個(gè)獨立的移動(dòng)鏡頭下軸，它是兩個(gè)獨立的部分，Z軸控制與切割頭的距離（standoff）噴嘴噴到材料表面。當機床工作臺移動(dòng)或光軸移動(dòng)時(shí)，光束從近端到遠端F軸也同時(shí)移動(dòng)，使光束聚焦后的光斑直徑保持不變。整個(gè)加工區域。

⑶控制聚焦鏡（通常是金屬反射聚焦系統）水壓。如果聚焦前光束尺寸變小，焦斑直徑變大，會(huì )自動(dòng)控制水壓改變聚焦曲率，使焦斑直徑變小。

⑷增加補償飛行光路切割機上的x和y方向光路系統。即當切割遠端的光路增加時(shí)，補償光路縮短；相反，當切割近端的光路減小時(shí)，補償光路增加，以保持光路長(cháng)度一致。

切割穿孔技術(shù)

任何一種熱切割技術(shù)，除了在少數情況可以從板邊開(kāi)始，一般要在板子上打一個(gè)小孔。較早的激光沖壓復合機，是先用沖床沖一個(gè)孔，然后用激光從小孔中沖出一個(gè)孔。開(kāi)始切割。對于沒(méi)有沖孔裝置的激光切割機，穿孔的基本方法有兩種：

(1)爆破穿孔：（Blastdrilling），材料經(jīng)過(guò)連續激光照射后，在中心形成一個(gè)凹坑，然后熔化的材料很快通過(guò)與激光束同軸的氧氣流去除以形成孔。一般來(lái)說(shuō)，孔的大小與板的厚度有關(guān)。爆破穿孔的平均直徑為板厚的一半。因此，較厚板的爆破孔直徑較大，不圓，不宜用在要求較高的部位（如油篩縫管）。 )，只能用于廢料。此外，由于穿孔所用的氧氣壓力與切割所用的氧氣壓力相同，因此飛濺較大。

（2）脈沖鉆孔：（脈沖鉆孔）使用具有高峰值功率的脈沖激光熔化或汽化少量材料。常使用空氣或氮氣作為輔助氣體，以減少因放熱氧化引起的空穴膨脹。切割時(shí)氣體壓力高于氧氣壓力。小的。每個(gè)脈沖激光只產(chǎn)生少量粒子射流，逐漸加深，因此厚板的穿孔時(shí)間需要幾秒鐘。穿孔完成后，立即將輔助氣體換成氧氣進(jìn)行切割。這樣，穿孔直徑更小，穿孔質(zhì)量?jì)?yōu)于爆破穿孔。用于此目的的激光器不僅應具有高輸出功率；更重要的是光束的時(shí)空特性，所以一般的橫流CO2激光器不能滿(mǎn)足激光切割的要求。此外，脈沖射孔還需要更可靠的氣路控制系統來(lái)實(shí)現氣體種類(lèi)、氣體壓力的切換和射孔時(shí)間的控制。在脈沖穿孔的情況下，為了獲得高質(zhì)量的切割，應注意從工件靜止時(shí)的脈沖穿孔到工件的恒速連續切削的過(guò)渡技術(shù)。從理論上講，通?？梢愿淖兗铀俣蔚那懈顥l件：如焦距、噴嘴位置、氣壓等，但在實(shí)踐中，由于時(shí)間太短，不太可能改變上述條件。在工業(yè)生產(chǎn)中，主要采用改變平均激光功率的方法更為現實(shí)。具體方法有3種：（1）改變脈沖寬度； (2)改變脈沖頻率； (3)同時(shí)改變脈沖寬度和頻率。實(shí)際結果表明，第三種效果最好。噴嘴設計與控制技術(shù)

激光切割鋼材時(shí)，氧氣和聚焦的激光束通過(guò)噴嘴射向被切割材料，從而形成氣流。對氣流的基本要求是進(jìn)入切口的氣流要大，速度要快，這樣才能有足夠的氧化作用，才能使切口材料充分進(jìn)行放熱反應；同時(shí)，有足夠的動(dòng)量將熔融材料吹出。因此，除了光束質(zhì)量及其控制直接影響切割質(zhì)量外，噴嘴的設計和氣流的控制（如噴嘴壓力、工件在氣流中的位置等）也很重要。非常重要的因素。今天的激光切割噴嘴采用簡(jiǎn)單的結構，即錐形孔，末端有一個(gè)小圓孔。設計通常使用實(shí)驗和誤差方法完成。由于噴嘴一般采用紫銅制作，體積小，是易損件，需要經(jīng)常更換，所以不進(jìn)行流體力學(xué)計算分析。使用時(shí)從噴嘴側面引入一定壓力Pn（表壓為Pg）的氣體，稱(chēng)為噴嘴壓力。它從噴嘴出口噴出，經(jīng)過(guò)一定距離后到達工件表面。該壓力稱(chēng)為切割壓力Pc，最后氣體膨脹至大氣壓。 Pa.研究工作表明，隨著(zhù)Pn的增加，氣流速率增加，Pc也增加。

可由下式計算：V=8、2d2(Pg+1)

V-氣體流量L/min

d-噴嘴直徑mm

Pg-噴嘴壓力（表壓) bar

不同的氣體有不同的壓力閾值。當噴管壓力超過(guò)該值時(shí)，氣流為正常斜激波，氣流速度由亞音速過(guò)渡到超音速。這個(gè)閾值與Pn和Pa的比值以及氣體分子的自由度（n）有關(guān)：比如氧氣和空氣，n=5、所以閾值Pn=1bar×(1、2)3、5=1、當噴嘴壓力較高時(shí)，Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2（Pn；4bar），氣流的法向斜激波被封成法向激波，切削壓力Pc減小，氣流速度降低，工件表面形成渦流，削弱氣流去除熔融材料的效果，影響切削速度。因此，采用帶錐形孔和末端小圓孔的噴嘴，氧氣的噴嘴壓力往往在3 bar以下。

為了進(jìn)一步提高激光切割的速度，可以在提高噴嘴壓力的前提下，根據空氣動(dòng)力學(xué)原理，在不產(chǎn)生法向沖擊波的情況下，設計制造一種縮放噴嘴，拉瓦爾噴嘴。為方便制作，采用圖1所示的結構。 4可以通過(guò)。德國漢諾威大學(xué)激光中心使用焦距為2、5″的激光，分別用小孔噴嘴和拉瓦爾噴嘴進(jìn)行實(shí)驗，如圖4所示。測試結果如圖5所示：NO2、NO4、NO5噴嘴在不同氧氣壓力下的切割表面粗糙度Rz與切割速度Vc的函數關(guān)系。從圖中可以看出，NO2小孔噴嘴的切割速度在Pn為（或4bar）時(shí)只能達到2、/min（碳鋼板厚度為2mm）。當達到 Pn 時(shí)，兩個(gè) Laval 噴嘴 NO4 和 NO5 可以達到相同的切割速度。需要指出的是，切削壓力 Pc 也是工件到噴嘴的距離的函數。由于斜向沖擊波在氣流邊界的多次反射，切割壓力呈周期性變化。第一高切割壓力區靠近噴嘴出口，工件表面到噴嘴出口的距離約為0、5~1、5mm，切割壓力Pc大且穩定，是切割手柄常用的工藝參數在今天的工業(yè)生產(chǎn)中。第二高的切割壓力區域在噴嘴出口的3~3、5mm左右，切割壓力Pc也較大，也能達到很好的效果，有利于保護鏡片，提高其使用壽命。不能使用曲線(xiàn)上的其他高切割壓力區域，因為它們距離噴嘴出口太遠，無(wú)法匹配聚焦光束。

綜上所述，CO2激光切割技術(shù)在我國工業(yè)生產(chǎn)中的應用越來(lái)越多，國外也在研究開(kāi)發(fā)更高切割速度和更厚鋼板的切割技術(shù)和設備。為滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)日益提高的質(zhì)量和生產(chǎn)效率要求，必須注重解決各項關(guān)鍵技術(shù)，落實(shí)質(zhì)量標準，使這項新技術(shù)在我國得到更廣泛的應用。