雷射切割技術

雷射切割是用聚焦鏡將CO2雷射束聚焦在材料表面使材料熔化，同時用與雷射束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料，並使雷射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。雷射切割技術廣泛套用於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，提高工件質量。

基本介紹

• 中文名：雷射切割技術
• 興起時間：二十世紀七十年代
• 技術優勢：減少時間,降低成本,提高工件質量
• 技術類型：脈衝雷射/連續雷射
• 適用範圍：金屬材料/非金屬材料

技術簡介

雷射切割技術廣泛套用於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，提高工件質量。脈衝雷射適用於金屬材料，連續雷射適用於非金屬材料，後者是雷射切割技術的重要套用領域。現代的雷射成了人們所幻想追求的“削鐵如泥”的“寶劍”。

雷射切割是用聚焦鏡將CO2雷射束聚焦在材料表面使材料熔化，同時用與雷射束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料，並使雷射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。從二十世紀七十年代以來隨著CO2雷射器及數控技術的不斷完善和發展，目前已成為工業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：對於中厚板採用氧乙炔火焰切割；對於薄板採用剪床下料，成形複雜零件大批量的採用衝壓，單件的採用振動剪。七十年代後，為了改善和提高火焰切割的切口質量，又推廣了氧乙烷精密火焰切割和等離子切割。為了減少大型衝壓模具的製造周期，又發展了數控步沖與電加工技術。各種切割下料方法都有其優缺點，在工業生產中有一定的適用範圍。

圖書信息

書 名： 雷射切割技術

作 者：葉建斌 戴春祥

出版社：上海科學技術出版社

精 裝：230頁

開 本：16頁

ISBN： 978-7-5478-1214-3/TN 9

內容簡介

本書是“十二五”國家重點圖書出版規劃項目“先進制造技術與套用前沿”之一。雷射切割技術室雷射技術在工業中的主要套用，它已成為當前工業加工領域套用最多的雷射加工方法。

本書系統闡述了雷射切割原理、工藝方法及套用等內容。本書共分七章：第1章介紹雷射加工技術的特點、套用及發展，並簡介常用雷射加工技術；第2章論述雷射加工技術基礎，包括雷射加工光學系統、成套設備系統以及雷射與金屬材料的互動作用機理等；第3章論述雷射切割的機理、特點，三維雷射切割關鍵技術以及雷射切割設備；第4章分析雷射切割工藝及及雷射切割控制的難點，並介紹常用工程材料的雷射切割；第5章闡述雷射切割質量評價及影響因素以及德國TRUMPF（通快）公司制定的雷射切割質量評估標準；第6章結合具體雷射切割設備論述雷射切割的實際套用、三維雷射切割及其在汽車製造中的套用以及光纖雷射器及其在雷射切割中的套用等；第7章以上海團結普瑞瑪雷射設備有限公司生產的雷射切割設備為例，介紹雷射切割中可能產生的故障及其處理方法，並論述雷射切割中常見問題及解決措施。

作者簡介

葉建斌，男，35歲，上海文日方實業發展有限公司總經理，主要研究領域：工程技術。曾受聘於水利部上海勘測設計研究院監理公司，從事國家大型水利工程監理工作；受聘於上海東進網路科技有限公司，任副總經理，從事計算機系統工程設計安裝和培訓工作。

戴春祥，男，52歲，上海大學機自學院副研究員，主要研究領域：現代設計方法與製造、產品數位化建模、三維重建、快速製造等。擅長運用CAD/CAM/CAE軟體進行產品建模與分析，發表論文數十篇（其中7篇EI檢索）、專著4部，發明專利3個，主持或參加多項國家及省部級科研項目，專業領域涉及仿生製造、產品建模、裝配建模、運動仿真、UG NX軟體套用等。

圖書特點

本書按照雷射切割原理、工藝方法及套用的思路來編寫，既顧及雷射切割原理及技術的完整性併兼顧可讀性和實用性，又充分考慮閱讀時的可選性，在內容上還編入了一定量的雷射切割設備的操作實例，以求更好地做到理論與實際相結合。本書可作為大專院校雷射加工技術、光信息科學與技術、光電儀器類專業的教材，也可供相關專業學生及從事雷射切割的套用、研究、生產等科研和工程技術人員參考。

優點

雷射切割技術具有以下優點：

第一，精度高：定位精度0．05mm，重複定位精度0．02mm。

第二，切縫窄：雷射束聚焦成很小的光點，使焦點處達到很高的功率密度，材料很陝加熱至氣化程度，蒸發形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動，使孔洞連續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。

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：雷射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：雷射可以對鋼板、不鏽鋼、鋁合金板、硬質合金等進行加工，不管什麼樣的硬度，都可以進行無變形切割。

第八，不受工件外形的影響：雷射加工柔性好，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：如塑膠、木材、PVC、皮革、紡織品和有機玻璃等。

第十，節約模具投資：雷射加工不需模具，沒有模具消耗，無須修理模具，節約更換模具時間，從而節省了加工費用，降低了生產成本，尤其適合大件產品的加工。

十一，節省材料：採用電腦編程，可以把不同外形的產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，縮短了新產品製造周期：新產品試製，數量小，結構不確定、隨時會改動‘，根本不能出模具，雷射切割機大大縮短了新產品製造周期，減少了模具投入。

工業套用

概況

世界第一台CO2雷射切割機是二十世紀七十年代的誕生的。三十多年來，由於套用領域的不斷擴大，CO2雷射切割機不斷改進，目前國際國內已有多家企業從事生產各種CO2雷射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。國外知名企業有德國Trumpf公司、義大利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。目前國內能提供平板切割機的企業有上海團結普瑞瑪公司、瀋陽普瑞瑪公司、濟南捷邁公司、武漢楚天公司等。根據美國雷射工業套用權威雜誌“Industrial Laser Solution”2000年度報告統計：1999年全世界共銷售的雷射切割系統（主要是CO2雷射切割系統）為3325台，共11.74億美元。據不完全統計中國目前每年生產CO2雷射切割機近100台，共1.5億元人民幣。雖然雷射切割的發展趨勢較快，但套用水平與已開發國家相比差距較大。至2003年中國已在工業生產中使用的CO2雷射切割系統累計已達500台左右，約占全世界正運行系統總量的1.5%。

CO2雷射切割系統的購置

單位：一類是大中型製造企業，這些企業生產的產品中有大量板材需要下料、切料，並且具有較強的經濟和技術實力；

另一類單位是加工站（國外稱Job Shop）,加工站是專門對外承接雷射加工業務的，自身無主導產品。它的存在一方面可滿足一些中小企業加工的需要；一方面在初期對推廣套用雷射切割技術起到宣傳示範的作用。1999年美國全國共有雷射加工站2700家，其中51%從事雷射切割工作。八十年代中國雷射加工站主要從事雷射熱處理工作，九十年代後，雷射切割及攻站逐步增加。在此基礎上隨著中國大中型企業體制改革的深入和經濟實力的增強，越來越多的企業將採用CO2雷射切割技術。

從目前國內套用情況分析，CO2雷射切割廣泛套用於12mm厚的低碳鋼板；6mm厚的不鏽鋼板及；20mm厚的非金屬材料。對於三維空間曲線的切割，在汽車、航空工業中也開始獲得了套用。

產品分類

目前適合採用CO2雷射切割的產品大體上可歸納為三類：

第一類

從技術經濟角度不宜製造模具的金屬鈑金件，特別是輪廓形狀複雜，批量不大，一般厚度；12mm的低碳鋼、；6mm厚的不鏽鋼，以節省製造模具的成本與周期。已採用的典型產品有：自動電梯結構件、升降電梯面板、工具機及糧食機械外罩、各種電氣櫃、開關櫃、紡織機械零件、工程機械結構件、大電機矽鋼片等。

第二類

裝飾、廣告、服務行業用的不鏽鋼（一般厚度3mm）或非金屬材料（一般厚度20mm）的圖案、標記、字型等。如藝術照相冊的圖案，公司、單位、賓館、商場的標記，車站、碼頭、公共場所的中英文字型。

第三類

要求均勻切縫的特殊零件。最廣泛套用的典型零件是包裝印刷行業用的模切版，它要求在20mm厚的木模板上切出縫寬為0.7~0.8mm的槽，然後在槽中鑲嵌刀片。使用時裝在模切機上，切下各種已印刷好圖形的包裝盒。國內近年來套用的一個新領域是石油篩縫管。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，切割技術難度大，已有不少單位投入生產。

套用領域

國外除上述套用外，還在不斷擴展其套用領域。

（1）採用三維雷射切割系統或配置工業機器人，切割空間曲線，開發各種三維切割軟體，以加快從畫圖到切割零件的過程。

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

（3）為擴展工程機械、造船工業等的套用，切割低碳鋼厚度已超過30mm，並特別注意研究用氮氣切割低碳鋼的工藝技術，以提高切割厚板的切口質量。因此在中國擴大CO2雷射切割的工業套用領域,解決新的套用中一些技術難題仍然是工程技術人員的重要課題。

關鍵技術

CO2雷射切割的幾項關鍵技術是光、機、電一體化的綜合技術。

雷射束的參數、機器與數控系統的性能和精度都直接影響雷射切割的效率和質量。特別是對於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鍵技術：

焦點位置控制技術

雷射切割的優點之一是光束的能量密度高，一般10W/cm2。由於能量密度與4/πd2成正比，所以焦點光斑直徑儘可能的小，以便產生一窄的切縫；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雷射切割工業套用中廣泛採用5〃~7.5〃〞（127~190mm）的焦距。實際焦點光斑直徑在0.1~0.4mm之間。對於高質量的切割，有效焦深還和透鏡直徑及被切材料有關。例如用5〃的透鏡切碳鋼，焦深為焦距的+2%範圍內，即5mm左右。因此控制焦點相對於被切材料表面的位置十分重要。顧慮到切割質量、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的不鏽鋼，焦點在表面之下。具體尺寸由實驗確定。

在工業生產中確定焦點位置的簡便方法有三種：（1）列印法：使切割頭從上往下運動，在塑膠板上進行雷射束列印，列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膠板使其水平拉動，尋找雷射束的最小處為焦點。（3）藍色火花法：去掉噴嘴，吹空氣，將脈衝雷射打在不鏽鋼板上，使切割頭從上往下運動，直至藍色火花最大處為焦點。對於飛行光路的切割機，由於光束髮散角，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，國內外雷射切割系統的製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雷射器的輸出端加一平行光管進行擴束處理，擴束後的光束直徑變大，發散角變小，使在切割工作範圍內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。當工具機工作檯移動或光軸移動時,光束從近端到遠端F軸也同時移動，使光束聚焦後光斑直徑在整個加工區域內保持一致。如圖二所示。

（3）控制聚焦鏡（一般為金屬反射聚焦系統）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。即當切割遠端光程增加時使補償光路縮短；反之當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

任何一種熱切割技術，除少數情況可以從板邊緣開始外，一般都必須在板上穿一小孔。早先在雷射衝壓複合機上是用沖頭先衝出一孔，然後再用雷射從小孔處開始進行切割。對於沒有衝壓裝置的雷射切割機有兩種穿孔的基該方法：

（1）爆破穿孔：（Blast drilling），材料經連續雷射的照射後在中心形成一凹坑，然後由與雷射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，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），只能用於廢料上。此外由於穿孔所用的氧氣壓力與切割時相同，飛濺較大。

（2）脈衝穿孔：（Pulse drilling）採用高峰值功率的脈衝雷射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。每個脈衝雷射只產生小的微粒噴射，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，其穿孔質量優於爆破穿孔。為此所使用的雷射器不但應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雷射器不能適應雷射切割的要求。此外脈衝穿孔還須要有較可靠的氣路控制系統，以實現氣體種類、氣體壓力的切換及穿孔時間的控制。在採用脈衝穿孔的情況下，為了獲得高質量的切口，從工件靜止時的脈衝穿孔到工件等速連續切割的過渡技術應以重視。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，但實際上由於時間太短改變以上條件的可能性不大。在工業生產中主要採用改變雷射平均功率的辦法比較現實，具體方法有以下三種：（1）改變脈衝寬度；（2）改變脈衝頻率；（3）同時改變脈衝寬度和頻率。實際結果表明，第（3）種效果最好。

噴嘴設計及氣流控制技術

雷射切割鋼材時，氧氣和聚焦的雷射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；同時又有足夠的動量將熔融材料噴射吹出。因此除光束的質量及其控制直接影響切割質量外，噴嘴的設計及氣流的控制（如噴嘴壓力、工件在氣流中的位置等）也是十分重要的因素。目前雷射切割用的噴嘴採用簡單的結構，即一錐形孔帶端部小圓孔（如圖4）。通常用實驗和誤差方法進行設計。由於噴嘴一般用

紫銅製造，體積較小，是易損零件，需經常更換，因此不進行流體力學計算與分析。在使用時從噴嘴側面通入一定壓力Pn（表壓為Pg）的氣體，稱噴嘴壓力，從噴嘴出口噴出，經一定距離到達工件表面，其壓力稱切割壓力Pc，最後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

對於不同的氣體有不同的壓力閾值，當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：如氧氣、空氣的n=5，因此其閾值Pn=1bar×（1.2）3.5=1.89bar。當噴嘴壓力更高Pn/Pa=（1+1/n)1+n/2時（Pn；4bar），氣流正常斜激波封變為正激波，切割壓力Pc下降，氣流速度減低，並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。因此採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。

為進一步提高雷射切割速度，可根據空氣動力學原理，在提高噴嘴壓力的前提下不產生正激波，設計製造一種縮放型噴嘴，即拉伐爾（Laval）噴嘴。為方便製造可採用如圖4的結構。德國漢諾瓦大學雷射中心使用500WCO2雷射器，透鏡焦距2.5〃，採用小孔噴嘴和拉伐爾噴嘴分別作了試驗，見圖4。試驗結果如圖5所示：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的函式關係。從圖中可以看出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。應指出的是切割壓力Pc還是工件與噴嘴距離的函式。由於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大而穩定，是目前工業生產中切割手扳常用的工藝參數。第二高切割壓力區約為噴嘴出口的3~3.5mm，切割壓力Pc也較大，同樣可以取得好的效果，並有利於保護透鏡，提高其使用壽命。曲線上的其他高切割壓力區由於距噴嘴出口太遠，與聚焦光束難以匹配而無法採用。

發展前景

綜上所述，CO2雷射器切割技術正在中國工業生產中得到越來越多的套用，國外正研究開發更高切割速度和更厚鋼板的切割技術與裝置。為了滿足工業生產對質量和生產效率越來越高的要求，必須重視解決各種關鍵技術及執行質量標準，以使這一新技術在中國獲得更廣泛的套用。

這個技術的套用面現在不是很廣，但隨著國家的發展，今後許多重工業都需要這門技術。所以，這個技術現在不太吃香，可能在未來的15-20年，有機會得到大力發展

圖書目錄

第一章 雷射加工技術緒論

第一節 雷射原理及其特性

第二節 雷射加工技術概述

第三節 雷射切割技術概述

第四節 其他常見雷射加工技術簡介

第二章 雷射加工技術基礎

第一節 雷射加工用雷射器

第二節 雷射加工成套設備系統

第三節 雷射加工用光學系統

第四節 雷射束參量測量

第三章 雷射切割技術原理及特點

第一節 雷射切割分類及其與其他切割方法比較

第二節 雷射切割機理

第三節 雷射切割的主要特點

第四節 三維雷射切割及其關鍵技術

第五節 雷射切割設備

第四章 雷射切割工藝分析

第一節 雷射切割特性分析

第二節 雷射切割控制的難點

第三節 影響雷射切割的軟體因素

第四節 雷射切割鋼板的若干工藝問題分析

第五節 常用工程材料的雷射切割

第五章 雷射切割質量評價及影響因素

第一節 雷射切割的尺寸精度評價

第二節 雷射切割的切口質量評價

第三節 影響雷射切割質量的因素

第四節 三維雷射切割質量的評定

第五節 TRUMPF雷射切割質量評估

第六節 雷射切割的現狀、存在的問題及安全防護

第六章 雷射切割的實踐套用

第一節 雷射切割金屬板材關鍵技術及套用實例

第二節 雷射切割在造船工業的套用

第三節 三維雷射切割在汽車製造中的套用

第四節 光纖雷射器及其在雷射切割中的套用

第七章 雷射切割故障信息及故障排除

第一節 CNC及驅動故障處理

第二節 雷射器故障處理

第三節 水冷機故障處理

第四節 空壓機故障處理

第五節 交換工作檯故障處理

第六節 雷射切割中常見問題分析及解決措施

第七節 雷射切割設備的維護

附錄

附錄1 雷射切割中常用材料切割規範

附錄2 常見雷射器種類及其典型技術參數

附錄3 500W固體雷射器的切割參數

附錄4 國內主要大功率雷射加工設備製造企業名錄

附錄5 國外主要大功率雷射設備製造企業名錄