一、引言 CO2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(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)，從而形成一定形狀的切縫。從二十世紀(jì)七十年代以來(lái)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(jìn)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(duì)于中厚板采用氧乙炔火焰切割；對(duì)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(dòng)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有缺點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中有一定的適用范圍。 CO2激光切割技術(shù)比其他方法的明顯優(yōu)點(diǎn)是： (1)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)，切縫一般不需要再加工即可焊接。 (2)切割速度快。例如采用2KW激光功率，8mm厚的碳鋼切割速度為1.6m/min；2mm厚的不銹鋼切割速度為3.5m/min，熱影響區(qū)小，變形極? ? (3)清潔、安全、無(wú)污染。大大改善了操作人員的工作環(huán)境。當(dāng)然就精度和切口表面粗糙度而言，CO2激光切割不可能超過(guò)電加工；就切割厚度而言難以達(dá)到火焰和等離子切割的水平。但是就以上顯著的優(yōu)點(diǎn)足以證明：CO2激光切割已經(jīng)和正在取代一部分傳統(tǒng)的切割工藝方法，特別是各種非金屬材料的切割。它是發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛的一種先進(jìn)加工方法。 九十年代以來(lái)，由于我國(guó)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，企業(yè)間競(jìng)爭(zhēng)激烈，每個(gè)企業(yè)必須根據(jù)自身?xiàng)l件正確選擇某些先進(jìn)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)在我國(guó)獲得了較快的發(fā)展。 二、CO2激光切割的工業(yè)應(yīng)用 世界第一臺(tái)CO2激光切割機(jī)是二十世紀(jì)七十年代的誕生的。三十多年來(lái)，由于應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，CO2激光切割機(jī)不斷改進(jìn)，目前國(guó)際國(guó)內(nèi)已有多家企業(yè)從事生產(chǎn)各種CO2激光切割機(jī)以滿足市場(chǎng)的需求，有二維平板切割機(jī)、三維空間曲線切割機(jī)、管子切割機(jī)等。國(guó)外知名企業(yè)有德國(guó)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(guó)內(nèi)能提供平板切割機(jī)的企業(yè)有上海團(tuán)結(jié)普瑞瑪公司、沈陽(yáng)普瑞瑪公司、濟(jì)南捷邁公司、武漢楚天公司等。根據(jù)美國(guó)激光工業(yè)應(yīng)用權(quán)威雜志“Industrial Laser Solution”2000年度報(bào)告統(tǒng)計(jì)：1999年全世界共銷(xiāo)售的激光切割系統(tǒng)(主要是CO2激光切割系統(tǒng))為3325臺(tái)，共11.74億美元。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)我國(guó)目前每年生產(chǎn)CO2激光切割機(jī)近100臺(tái)，共1.5億元人民幣。雖然激光切割的發(fā)展趨勢(shì)較快，但應(yīng)用水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距較大。至2003年我國(guó)已在工業(yè)生產(chǎn)中使用的CO2激光切割系統(tǒng)累計(jì)已達(dá)500臺(tái)左右，約占全世界正運(yùn)行系統(tǒng)總量的1.5%。 CO2激光切割系統(tǒng)的購(gòu)置著主要是兩類(lèi)單位：一類(lèi)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(qiáng)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)實(shí)力；另一類(lèi)單位是加工站(國(guó)外稱(chēng)Job Shop)，加工站是專(zhuān)門(mén)對(duì)外承接激光加工業(yè)務(wù)的，自身無(wú)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(duì)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(guó)全國(guó)共有激光加工站2700家，其中51%從事激光切割工作。八十年代我國(guó)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)上隨著我國(guó)大中型企業(yè)體制改革的深入和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，越來(lái)越多的企業(yè)將采用CO2激光切割技術(shù)。 從目前國(guó)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(duì)于三維空間曲線的切割，在汽車(chē)、航空工業(yè)中也開(kāi)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(lèi)： 第一類(lèi)：從技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(dòng)電梯結(jié)構(gòu)件、升降電梯面板、機(jī)床及糧食機(jī)械外罩、各種電氣柜、開(kāi)關(guān)柜、紡織機(jī)械零件、工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件、大電機(jī)硅鋼片等。 第二類(lèi)：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(cè)的圖案，公司、單位、賓館、商場(chǎng)的標(biāo)記，車(chē)站、碼頭、公共場(chǎng)所的中英文字體。 第三類(lèi)：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(shí)裝在模切機(jī)上，切下各種已印刷好圖形的包裝盒。國(guó)內(nèi)近年來(lái)應(yīng)用的一個(gè)新領(lǐng)域是石油篩縫管。為了擋住泥沙進(jìn)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(guó)外除上述應(yīng)用外，還在不斷擴(kuò)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(jī)器人，切割空間曲線，開(kāi)發(fā)各種三維切割軟件，以加快從畫(huà)圖到切割零件的過(guò)程。 (2)為了提高生產(chǎn)效率，研究開(kāi)發(fā)各種專(zhuān)用切割系統(tǒng)，材料輸送系統(tǒng)，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等，目前切割系統(tǒng)的切割速度已超過(guò)100m/min。 (3)為擴(kuò)展工程機(jī)械、造船工業(yè)等的應(yīng)用，切割低碳鋼厚度已超過(guò)30mm，并特別注意研究用氮?dú)馇懈畹吞间摰墓に嚰夹g(shù)，以提高切割厚板的切口質(zhì)量。因此在我國(guó)擴(kuò)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。 三、CO2激光切割的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù) CO2激光切割的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是光、機(jī)、電一體化的綜合技術(shù)。激光束的參數(shù)、機(jī)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(duì)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)： 1、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，一般>10W/cm2。由于能量密度與4/πd2成正比，所以焦點(diǎn)光斑直徑盡可能的小，以便產(chǎn)生一窄的切縫；同時(shí)焦點(diǎn)光斑直徑還和透鏡的焦深成正比。聚焦透鏡焦深越小，焦點(diǎn)光斑直徑就越? ５懈鈑蟹山Γ婦道牘ぜ菀捉婦鄧?guó)帗?dān)虼艘話憒蠊β蔆O2激光切割工業(yè)應(yīng)用中廣泛采用5〃~7.5〃〞(127~190mm)的焦距。實(shí)際焦點(diǎn)光斑直徑在0.1~0.4mm之間。對(duì)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(diǎn)相對(duì)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(diǎn)在表面上；>6mm的碳鋼，焦點(diǎn)在表面之上；>6mm的不銹鋼，焦點(diǎn)在表面之下。具體尺寸由實(shí)驗(yàn)確定。 在工業(yè)生產(chǎn)中確定焦點(diǎn)位置的簡(jiǎn)便方法有三種： (1)打印法：使切割頭從上往下運(yùn)動(dòng)，在塑料板上進(jìn)行激光束打印，打印直徑最小處為焦點(diǎn)。 (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(dòng)，尋找激光束的最小處為焦點(diǎn)。 (3)藍(lán)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(yùn)動(dòng)，直至藍(lán)色火花最大處為焦點(diǎn)。 對(duì)于飛行光路的切割機(jī)，由于光束發(fā)散角，切割近端和遠(yuǎn)端時(shí)光程長(zhǎng)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(diǎn)光斑的直徑越? Ｎ思跎僖蚓勱骨骯饈嘰綾浠吹慕溝愎獍叱嘰緄謀浠諭餳す馇懈釹低車(chē)鬧圃焐燙峁┝艘恍┳ㄓ玫淖爸霉┯沒(méi)а∮茫? (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(jìn)行擴(kuò)束處理，擴(kuò)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(yuǎn)端聚焦前光束尺寸接近一致。 (2)在切割頭上增加一獨(dú)立的移動(dòng)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(gè)相互獨(dú)立的部分。當(dāng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)或光軸移動(dòng)時(shí)，光束從近端到遠(yuǎn)端F軸也同時(shí)移動(dòng)，使光束聚焦后光斑直徑在整個(gè)加工區(qū)域內(nèi)保持一致。如圖所示。(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(diǎn)光斑直徑變大時(shí)，自動(dòng)控制水壓改變聚焦曲率使焦點(diǎn)光斑直徑變? ? (4)飛行光路切割機(jī)上增加x、y方向的補(bǔ)償光路系統(tǒng)。即當(dāng)切割遠(yuǎn)端光程增加時(shí)使補(bǔ)償光路縮短；反之當(dāng)切割近端光程減小時(shí)，使補(bǔ)償光路增加，以保持光程長(zhǎng)度一致。 2.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(kāi)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(jī)上是用沖頭先沖出一孔，然后再用激光從小孔處開(kāi)始進(jìn)行切割。對(duì)于沒(méi)有沖壓裝置的激光切割機(jī)有兩種穿孔的基本方法： (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(duì)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(shí)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?dú)庾鳛檩o助氣體，以減少因放熱氧化使孔擴(kuò)展，氣體壓力較切割時(shí)的氧氣壓力? Ｃ扛雎齔寮す庵徊〉奈⒘Ｅ縞洌鴆繳釗?，因此厚板穿抠Y奔湫枰該脛?dòng)。覊末穿孔完成，立即将辅助气体粦焉氧气进行切割。这样穿孔直径介e?，其穿孔质量育嬙r拼┛住Ｎ慫褂玫募す餛韃壞哂薪細(xì)叩氖涑齬β剩桓匾氖憊饈氖奔浜涂占涮匭裕虼艘話愫崍鰿O2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(shí)現(xiàn)氣體種類(lèi)、氣體壓力的切換及穿孔時(shí)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(shí)的脈沖穿孔到工件等速連續(xù)切割的過(guò)渡技術(shù)應(yīng)以重視。從理論上講通?？筛淖兗铀俣蔚那懈顥l件：如焦距、噴嘴位置、氣體壓力等，但實(shí)際上由于時(shí)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(shí)，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(shí)改變脈沖寬度和頻率。實(shí)際結(jié)果表明，第(3)種效果最好。 3.噴嘴設(shè)計(jì)及氣流控制技術(shù)： 激光切割鋼材時(shí)，氧氣和聚焦的激光束是通過(guò)噴嘴射到被切材料處，從而形成一個(gè)氣流束。對(duì)氣流的基本要求是進(jìn)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(jìn)行放熱反應(yīng)；同時(shí)又有足夠的動(dòng)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(jì)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(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，即一錐形孔帶端部小圓孔(如圖)。通常用實(shí)驗(yàn)和誤差方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jìn)行流體力學(xué)計(jì)算與分析。在使用時(shí)從噴嘴側(cè)面通入一定壓力Pn(表壓為Pg)的氣體，稱(chēng)噴嘴壓力，從噴嘴出口噴出，經(jīng)一定距離到達(dá)工件表面，其壓力稱(chēng)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(jì)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(duì)于不同的氣體有不同的壓力閾值，當(dāng)噴嘴壓力超過(guò)此值時(shí)，氣流為正常斜激波，氣流速?gòu)膩喴羲傧虺羲龠^(guò)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(shí)(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(jìn)一步提高激光切割速度，可根據(jù)空氣動(dòng)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(jì)制造一種縮放型噴嘴，即拉伐爾(Laval)噴嘴。為方便制造可采用如圖4的結(jié)構(gòu)。德國(guó)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(yàn)，見(jiàn)圖4。試驗(yàn)結(jié)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的函數(shù)關(guān)系。從圖中可以看出NO2小孔噴嘴在Pn為400Kpa(或4bar)時(shí)切割速度只能達(dá)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(shí)切割速度可達(dá)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(hù)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(yuǎn)，與聚焦光束難以匹配而無(wú)法采用。 綜上所述，CO2激光器切割技術(shù)正在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，國(guó)外正研究開(kāi)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(duì)質(zhì)量和生產(chǎn)效率越來(lái)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)在我國(guó)獲得更廣泛的應(yīng)用。