CO2激光切割工業(yè)應(yīng)用及其關(guān)鍵技術(shù)
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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，開發(fā)各種三維切割軟件，以加快從畫圖到切割零件的過程。
(2)為了提高生產(chǎn)效率，研究開發(fā)各種專用切割系統(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)光斑的直徑越小。為了減少因聚焦前光束尺寸變化帶來(lái)的焦點(diǎn)光斑尺寸的變化，國(guó)內(nèi)外激光切割系統(tǒng)的制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。
(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始進(jìn)行切割。對(duì)于沒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)的氧氣壓力小。每個(gè)脈沖激光只產(chǎn)生小的微粒噴射，逐步深入，因此厚板穿孔時(shí)間需要幾秒鐘。一旦穿孔完成，立即將輔助氣體換成氧氣進(jìn)行切割。這樣穿孔直徑較小，其穿孔質(zhì)量?jī)?yōu)于爆破穿孔。為此所使用的激光器不但應(yīng)具有較高的輸出功率；更重要的時(shí)光束的時(shí)間和空間特性，因此一般橫流CO2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、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。
評(píng)論