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 CO2激光切割機(jī)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(zhuān)用的裝置供用戶(hù)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(standoff)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)kwt_8wt，自動(dòng)控制水壓改變聚焦曲率使焦點(diǎn)光斑直徑變小。
(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：(Blastdrilling)
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：(Pulsedrilling)
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(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。從理論上講通常可改變加速段的切割條件：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)：
激光切割機(jī)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500W CO2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(mǎn)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。