激光切割的工藝過程及其參數分析

　　1激光設備
　　激光設備采用Trumpf公司激光沖裁復合加工中心。

　　2激光束參數
　　激光系統一般由激光器、激光傳輸系統、控制系統、運動系統、傳感與檢測系統組成，其核心為激光器。

　　激光器為CO2氣體脈沖式激光器。光束橫截面上光強分布接近高斯分布．具有極好的光束質量，主要性能指標如下：

　　激光波長：10.61xm
　　脈沖功率：2.4kW;脈沖寬度；約l0ms
　　功率密度：107W/cm2；激光發散角：1mrad
　　激光功率穩定度：2％
　　激光束焦點直徑：Φ0.15-Φ0.30
　　經實踐驗證，激光沖裁復合加工中心CO2激光切割加工δ0.5mm-δ6mm板材的工藝特點及相關參數是： 

　　圖1 氧氣切割碳鋼切縫粗糙度與料厚的關系
　　（1）切口寬度窄（一般為0.15-0.30mm）、精度高（一般孔中心距誤差為0.01-0.05mm，輪廓尺寸誤差為0.05-0.2mm）、切口表面粗糙度好（一般Rz為1.6-6.41μm），切縫一般不需要再加工即可焊接。

　　由圖2可以看出切縫粗糙度與料厚成正比。

　　（2）采用2kW激光功率，6mm厚不銹鋼的切割速度為1.2m/min；δ2mm厚不銹鋼的切割速度為3.6m/min，熱影響區微小，變形極小。以上優點足以證明：CO2激光切割成為發展迅速的一種先進加工方法。

　　由圖3可以看出材料的最大切割速度與料厚成反比。

　　 

　　圖2 幾種常見材料的最大切割速度與料厚的關系
　　3工藝過程及工藝參數
　　3.1 數控編制切割工藝
　　用Trumpf公司激光沖裁復合加工中心附帶的TOPS300工藝編程軟件進行數控編程，同時完成材料的下料尺寸計算、排樣、工藝參數設定。過程如下：

　　（1）繪圖及圖形類型的轉換（要求零件外輪廓閉合）；

　　（2）確定材料、尺寸和零件排樣；

　　（3）使用激光切割：圓角工藝（獲得銳邊倒鈍）或回路工藝（獲得銳角）；自動載入氣體類型、切割速度，并設置退料；

　　（4）加工順序優化，生成數控加工程序，傳輸程序；

　　3.2 切割穿孔技術
　　對于δ0.5mm-δ6mm厚的板材．大多數熱切割技術都必須在板上穿一小孔。激光沖壓復合機上是用沖頭先沖出一孔。然后再用激光從小孑L處開始切割。對于沒有沖壓裝置的激光切割機一般用脈沖穿孔的基本方法——脈沖穿孔：金屬對10.6um激光束的起始吸收率只有0.5％～10％。當功率密度超過106W/cm2的聚焦激光束照射到金屬表面時。卻能在微秒級的時間內很快使表面開始熔化。常用空氣或氮氣作為輔助氣體，每個脈沖激光只產生小的微粒噴射。逐步深入，因此厚板穿孑L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。（注：產生高峰值功率脈沖激光的元氣件電子管壽命約20000小時,價格昂貴,對δ≤3薄板最好采用預沖孔工藝，δ≥3的板料才采用脈沖穿孔工藝）。

　　3.3 噴嘴及氣流控制
　　激光切割鋼材時，氧氣和聚焦的激光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。目前激光切割用的噴嘴采用一錐形孔帶端部小圓孔的結構．在使用時從噴嘴側面通入一定壓力。材質為純銅，體積較小，是易損零件。

　　3.4 激光切割的主要工藝
　　（1）升華切割
　　在高功率密度激光束的加熱下。δ0.5mm～δ6mm板材的表面溫度會迅速升至沸點溫度。部分材料汽化成蒸汽消失，部分材料作為噴出物從切縫底部被輔助氣流吹走。切割氣體一般用氮氣或氬氣。

　　（2）高壓氣聚焦熔化切割
當入射的激光束功率密度超過某一值后．光束照射點處材料內部開始蒸發，形成孔洞。它將作為黑體吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化物質所包圍。然后．與光束同軸的輔助氣流把孔洞周圍的熔融材料帶走。隨著工件移動，小孔按切割方向同步橫移形成一條切縫。切割氣體一般用氮氣。 表1 切割氣體氧氣和氮氣的比較

　　
　　（3）火焰氧化熔化切割
　　熔化切割一般使用惰性氣體，如果代之以氧氣或其它活性氣體。材料在激光束的照射下與氧氣發生激烈的化學反應而產生另一熱源，稱為氧化熔化切割。切割氣體一般用氧氣。切割氣體氧氣和氮氣的比較見表1。 3.5 激光切割氣體的消耗
　　激光切割氣體的消耗如圖4和圖5所示。由圖4可以看出，對于δ0.5mm-δ6mm的同一種料厚的板料，單位時間內從噴嘴噴出氧氣氣體體積隨著使用壓力提高而提高，對于不同料厚的板料，在同一壓力下單位時間內從噴嘴噴出氣體體積增量與料厚增量的平方成正比。

　　 圖3 氧氣消耗圖 

　　 圖4 氮氣消耗圖
由圖5可以看出。對于δ0.5mm-δ6mm的同一種料厚的板料，單位時間內從噴嘴噴出氮氣氣體體積隨著使用壓力的提高而提高，對于不同料厚的板料．在同一壓力下單位時間內從噴嘴噴出氣體體積增量與料厚增量的平方成正比。由于氮氣壓力在6bar以上才對切割起到有效作用。所以氣體消耗量大。

　　3.6 常用工程材料的激光切割
　　（1）碳鋼
　　切割碳鋼使用純氧作為輔助氣體。本激光加工中心可以切割碳鋼板的最大厚度可達8mm，對厚板其切縫為0.3mm。對薄板其切縫可窄至0.2mm左右。

　　（2）不銹鋼
　　切割不銹鋼使用高壓氮氣作為輔助氣體。本激光加工中心可以切割不銹鋼板的最大厚度可達6mm，對利用不銹鋼及S-06薄板作為主構件來說是個有效的加工工具。切邊熱影響區很小，能有效保持此類材料的良好耐腐蝕性。

　　（3）鋁及鋁合金
切割鋁使用高壓氮氣作為輔助氣體。鋁切割屬于熔化切割機制，由于鋁對激光的反射率較高。只可以對較薄的鋁板材進行切割。本激光加工中心所切割的鋁合金厚度δ<4mm。所用輔助氣體主要用于從切割區吹走熔融產物。通常可獲得較好的切面質量。

　　（4）銅及銅合金
　　純銅（紫銅）由于反射率太高，基本上不能用CO2激光束切割。

　　（5）鎳基合金
　　鎳基合金也稱超級合金，品種很多。其中對GHll3l、GHll40已做過工藝試驗，成功實施激光切割而且斷面質量良好。