激光切割的工艺过程及其参数分析

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1 激光设备
" z' n  \, [$ a. Q6 {3 W激光设备采用Trumpf公司激光冲裁复合加工中心。
2 激光束参数
5 r/ f' n( X  K* J7 _激光系统一般由激光器、激光传输系统、控制系统、运动系统、传感与检测系统组成，其核心为激光器。
: g4 C$ Q# A6 k激光器为CO2气体脉冲式激光器。光束横截面上光强分布接近高斯分布．具有极好的光束质量，主要性能指标如下：
激光波长：10.61xm
脉冲功率：2.4kW;脉冲宽度；约l0ms
功率密度：107W/cm2 ；激光发散角：1mrad
激光功率稳定度：2％
. |4 ?+ Q2 m9 E" p; r: U激光束焦点直径：Φ0.15-Φ0.30
经实践验证，激光冲裁复合加工中心CO2激光切割加工δ0.5mm-δ6mm板材的工艺特点及相关参数是：

图1 氧气切割碳钢切缝粗糙度与料厚的关系
（1）切口宽度窄（一般为0.15-0.30mm）、精度高（一般孔中心距误差为0.01-0.05mm，轮廓尺寸误差为0.05-0.2mm）、切口表面粗糙度好（一般Rz为1.6-6.41μm），切缝一般不需要再加工即可焊接。
由图2可以看出切缝粗糙度与料厚成正比。
（2）采用2kW激光功率，6mm厚不锈钢的切割速度为1.2m/min；δ2mm厚不锈钢的切割速度为3.6m/min，热影响区微小，变形极小。以上优点足以证明：CO2激光切割成为发展迅速的一种先进加工方法。
由图3可以看出材料的最大切割速度与料厚成反比。
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图2 几种常见材料的最大切割速度与料厚的关系
! F8 E. n* X8 C0 S" }. h: J3 工艺过程及工艺参数
% ^/ N: G# X5 @* G! b! ]/ r3.1 数控编制切割工艺
2 F8 L! r7 j- M& Y% a9 c# h( J, o用Trumpf公司激光冲裁复合加工中心附带的TOPS300工艺编程软件进行数控编程，同时完成材料的下料尺寸计算、排样、工艺参数设定。过程如下：
（1）绘图及图形类型的转换（要求零件外轮廓闭合）；
: ], L3 e. x/ Z# @( i) h（2）确定材料、尺寸和零件排样；
（3）使用激光切割：圆角工艺（获得锐边倒钝）或回路工艺（获得锐角）；自动载入气体类型、切割速度，并设置退料；
（4）加工顺序优化，生成数控加工程序，传输程序；
9 Q7 R) ?: i; h" P, B; w5 e1 A- f' C& Y3.2 切割穿孔技术
7 X" w7 [9 s+ [* }对于δ0.5mm-δ6mm厚的板材．大多数热切割技术都必须在板上穿一小孔。激光冲压复合机上是用冲头先冲出一孔。然后再用激光从小孑L处开始切割。对于没有冲压装置的激光切割机一般用脉冲穿孔的基本方法——脉冲穿孔：金属对10.6um激光束的起始吸收率只有0.5％～10％。当功率密度超过106W/cm2的聚焦激光束照射到金属表面时。却能在微秒级的时间内很快使表面开始熔化。常用空气或氮气作为辅助气体，每个脉冲激光只产生小的微粒喷射。逐步深入，因此厚板穿孑L时间需要几秒钟。一旦穿孔完成，立即将辅助气体换成氧气进行切割。（注：产生高峰值功率脉冲激光的元气件电子管寿命约20000小时,价格昂贵,对δ≤3薄板最好采用预冲孔工艺，δ≥3的板料才采用脉冲穿孔工艺）。
3.3 喷嘴及气流控制
激光切割钢材时，氧气和聚焦的激光束是通过喷嘴射到被切材料处。从而形成一个气流束。对气流的基本要求是进入切口的气流量要大，速度要高，以便足够的氧化使切口材料充分进行放热反应，同时又有足够的动量将熔融材料喷射吹出。目前激光切割用的喷嘴采用一锥形孔带端部小圆孔的结构．在使用时从喷嘴侧面通入一定压力。材质为纯铜，体积较小，是易损零件。
# _- X! A  E" R3.4 激光切割的主要工艺
（1）升华切割
" z; K/ T; u$ t; m/ v在高功率密度激光束的加热下。δ0.5mm～δ6mm板材的表面温度会迅速升至沸点温度。部分材料汽化成蒸汽消失，部分材料作为喷出物从切缝底部被辅助气流吹走。切割气体一般用氮气或氩气。
  W. q- d" j# a$ _$ d' O" r' x（2）高压气聚焦熔化切割
当入射的激光束功率密度超过某一值后．光束照射点处材料内部开始蒸发，形成孔洞。它将作为黑体吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化物质所包围。然后．与光束同轴的辅助气流把孔洞周围的熔融材料带走。随着工件移动，小孔按切割方向同步横移形成一条切缝。切割气体一般用氮气。
; P$ j: ~. ^# ^表1 切割气体氧气和氮气的比较
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. U8 w) W; M$ \7 b6 |（3）火焰氧化熔化切割
8 v. a; d+ o: U! `  e熔化切割一般使用惰性气体，如果代之以氧气或其它活性气体。材料在激光束的照射下与氧气发生激烈的化学反应而产生另一热源，称为氧化熔化切割。切割气体一般用氧气。切割气体氧气和氮气的比较见表1。
3.5 激光切割气体的消耗
5 b9 H/ u8 O+ ~$ ?/ \激光切割气体的消耗如图4和图5所示。由图4可以看出，对于δ0.5mm-δ6mm的同一种料厚的板料，单位时间内从喷嘴喷出氧气气体体积随着使用压力提高而提高，对于不同料厚的板料，在同一压力下单位时间内从喷嘴喷出气体体积增量与料厚增量的平方成正比。

图3 氧气消耗图

) W) s/ T( w& a& O( n9 v图4 氮气消耗图
$ T! {% x" \, }) k由图5可以看出。对于δ0.5mm-δ6mm的同一种料厚的板料，单位时间内从喷嘴喷出氮气气体体积随着使用压力的提高而提高，对于不同料厚的板料．在同一压力下单位时间内从喷嘴喷出气体体积增量与料厚增量的平方成正比。由于氮气压力在6bar以上才对切割起到有效作用。所以气体消耗量大。
; _) w; F  E% N2 T1 I6 b" ?3.6 常用工程材料的激光切割
) B3 K2 b& H) e: [- S（1）碳钢
切割碳钢使用纯氧作为辅助气体。本激光加工中心可以切割碳钢板的最大厚度可达8mm，对厚板其切缝为0.3mm。对薄板其切缝可窄至0.2mm左右。
（2）不锈钢
" d- }3 F4 G5 d8 ~; h- k切割不锈钢使用高压氮气作为辅助气体。本激光加工中心可以切割不锈钢板的最大厚度可达6mm，对利用不锈钢及S-06薄板作为主构件来说是个有效的加工工具。切边热影响区很小，能有效保持此类材料的良好耐腐蚀性。
（3）铝及铝合金
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切割铝使用高压氮气作为辅助气体。铝切割属于熔化切割机制，由于铝对激光的反射率较高。只可以对较薄的铝板材进行切割。本激光加工中心所切割的铝合金厚度δ