激光切割基础知识

础知识

第一部分

一、激光切割的原理

激光切割是由电子放电作为供给能源，通过 He 、N 2、CO 2 等混合气体为激

发媒介，利用反射镜组聚焦产生激光光束，从而对材料进行切割。

激光切割的过程：在数控程序的激发和驱动下，激光发生器内产生出特定模式和类型的激光，经过光路系统传送到切割头，并聚焦于工件表面，将金属熔化；同时, 喷嘴从与光束平行的方向喷出辅助气体将熔渣吹走；在由程控的伺服电机驱动下，切割头按照预定路线运动，从而切割出各种形状的工件。

图1：激光切割示意图

二、机床结构

SLCF-X15×40F 数控激光切割机是意大利普瑞玛（PRIMA ）工业公司的主导机型——悬臂式飞行光路结构的激光切割机，加工板材尺寸为1500×4000毫米，配有交换工作台。

（一） 该机型的主要特点如下：

悬臂式开式结构，可从三个方向上下料，人机接近性极好，可放置超长超宽的板材。

可移动式切割工作台与主机分离，柔性大。可加装焊接、切管等功能。 精密传动部件不在切割区域内，防护容易，也不会由于工作台及床身切割热变形影响机床的精度。

从根本上消除了电器双边同步锁产生的误差，避免了横梁的扭动，使得光路稳

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1—激光器；2—激光束；3—全反射棱镜；4—聚焦物镜；5—工件；6—工作台

定，切割精度提高。

配有高速的Z轴系统，同时可通过数控系统控制辅助气体的压力、流量等，大大提高了加工效率。

新型的PM—智能化编程软件，具有蛙跳、共边切割、优化套排料、高效穿孔、尖角处理等功能。

具有先进的多腔分室除尘系统，比单纯的抽风系统除尘效果更高。

（二）机床的结构主要由以下几部分组成：

1、床身

全部光路安置在机床的床身上，床身上装有横梁、切割头支架和切割头工具，通过特殊的设计，消除在加工期间由于轴的加速带来的振动。机床底部分成几个排气腔室，当切割头位于某个排气室上部时，阀门打开，废气被排出。通过支架隔架，小工件和料渣落在废物箱内。

2、工作台

移动式切割工作台与主机分离，柔性大，可加装焊接、切管等功能。配有两张米×4米的工作台可供交换使用，当一个工作台在进行切割加工的同时，另一张工作台可以同时进行上下料操作，有效提高工作效率。两个工作台可通过编程或按钮自动交换。

工作台下方配有小车收集装置，切割的小料及金属粉末会集中收集在小车中。

3、切割头

是光路的最后器件，其内置的透镜将激光光束聚焦，标准切割头焦距有5 英寸和英寸(主要用于割厚板)两种。良好的切割质量与喷嘴和工件的间距有关，本机切割头使用德国PRECITEC公司生产的非接触式电容传感头，在切割过程中可实现自动跟踪与修正工件表面与喷嘴的间距，调整激光焦距与板材的相对位置，以消除因被切割板材的不平整对切割材料造成的影响。自动找准材料的摆放位置（红光指示器）。

4、控制系统

控制系统包括数控系统（集成可编程序控制器PLC）、电控柜及操作台。PMC-1200数控系统由32位CPU控制单元、数字伺服单元、数字伺服电机、电缆等组成，采用全中文才做界面，"彩色液晶显示器，能实现机外编程计算机与机床的控制系统进行数据传输通讯（具有232接口），具有加速、突变限制；具有图形显示功能，可对激光器的各种状态进行在线和动态控制功能。

5、激光控制柜

控制和检查激光器的功能，并显示系统的压力、功率、放电电流和激光器的运行模式。

6、激光器

采用原装进口德国ROFIN公司SLAB3000W型激光发生器，是目前世界先进的RF 激励板式放电的二氧化碳激光器。其心脏是谐振腔, 激光束就在这里产生，激光气体是由二氧化碳﹑氮气﹑氦气的混合气体，通过涡轮机使气体沿谐振腔的轴向高速运动，气体在前后两个热交换器中冷却，以利于高压单元将能量传给气体。

7、冷却设备

冷却激光器、激光气体和光路系统。

8、除尘装置

内置管道及风机，改善了工作环境。切割区域内装有大通径除尘管道及大全压的离心式除尘风机，加之全封闭的机床床身及分段除尘装置，具有较好的除尘效果。

9、供气系统

包括气源、过滤装置和管路。气源含瓶装气和压缩空气（空气压缩机、冷干机）。

（三）设备的技术参数

（四）ROFIN 3000W CO2激光发生器技术参数

三、切割方法

不同的材料，切割方法不一样，主要分为熔化切割、氧化切割、气化切割、导向断裂切割等。

表3：切割方法与对应的材料

3气化切割木材、碳素材料和某些塑料

4导向断裂切割陶瓷

1、熔化切割

在激光熔化切割中，工件材料在激光束的照射下局部熔化，熔化的液态材料被气体吹走，形成切缝，切割仅在液态下进行，故称为熔化切割。切割时在与激光同轴的方向供给高纯度的不活泼气体，辅助气体仅将熔化金属吹出切缝，不与金属反应。这种切割方法的激光功率密度在107W/cm2左右。

激光光束配上高纯惰性切割气体促使熔化的材料离开割缝，而气体本身不参于切割。

最大切割速度随着激光功率的增加而增加，随着板材厚度的增加和材料熔化温度的增加而几乎反比例地减小。在激光功率一定的情况下，限制因数就是割缝处的气压和材料的热传导率。

2、氧化切割

与熔化切割不同，激光氧化切割使用活泼的氧气作为辅助气体。由于氧与已经炽热了的金属材料发生化学反应，释放出大量的热，结果是材料进一步被加热。

材料表面在激光束照射下很快被加热到燃点温度，与氧气发生激烈的燃烧反应，放出大量热量，在此热量作用下，材料内部形成充满蒸汽的小孔，而小孔周围被熔化的加工材料所包围。

燃烧物质转移成熔渣，控制氧和加工材料的燃烧速度，氧气流速越高，燃烧化学反应和去除熔渣的速度也越快。但是，如果氧气速度过快，将导致割缝出口处的反应产物即金属氧化物的快速冷却，对切割质量造成不利影响。

切割过程存在两个热源：激光束照射能和化学反应所产生的热能。据估计，切割碳钢时，氧化反应所产生的热能占切割所需能量的60%。

在氧化切割过程中，如果氧化燃烧的速度高于激光束移动的速度，割缝将变宽且粗糙，反之，如果移动速度慢，则割缝窄而光滑。

3、气化切割

激光束焦点处功率密度非常高，可达106W/cm2以上，激光光能转换成热能，保持在极小的范围内，材料很快被加热至气化温度，部分材料气化为蒸汽逸去，部分材料被辅助气体吹走，随着激光束与材料之间的连续不断的相对运动，便形成宽度很窄（如）的割缝。这种切割方法的功率密度在108W/cm2左右。一些不能熔化的材料如木材、碳素材料和某些塑料即通过这种方法进行切割。

激光氧化切割在加工精密模型和尖角时是不好的（有烧掉尖角的危险）。可以使用脉冲模式的激光来限制热影响。

所用的激光功率决定切割速度。在激光功率一定的情况下，限制因数就是氧气的供应和材料的热传导率。