一、引言
J]4pPDm  
Zog&:]P'F  
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。 kPvR ,  
}_|qDMk+  
CO2激光切割技術(shù)比其他方法的明顯優(yōu)點(diǎn)是： 8kYI ~
  
!HCuae3_  
(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。 #BhDC.CcW  
(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，變形極小。 ]}z"H@k  
(3)清潔、安全、無污染。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。 z;Yo76P  
.u3Z*+  
九十年代以來，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。 7 <<`9,  
IlfH  
二、CO2激光切割的工業(yè)應(yīng)用 hUP?r/B  
aNDpCpy  
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，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%。 h\lyt(.s  
YS0^!7u  
CO2激光切割系統(tǒng)的購(gòu)置著主要是兩類單位：一類是大中型制造企業(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；另一類單位是加工站(國(guó)外稱Job Shop)，加工站是專門對(duì)外承接激光加工業(yè)務(wù)的，自身無主導(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)，越來越多的企業(yè)將采用CO2激光切割技術(shù)。 8k9Yoht  
TW~%1G_v  
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、航空工業(yè)中也開始獲得了應(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： . ytxe!O  
vf0 fa46  
第一類：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。 :3A^5}iz  
第二類：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，車站、碼頭、公共場(chǎng)所的中英文字體。 y"Ios:v@-  
第三類：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)。 mTBSntZx  
.
g>0FP  
國(guó)外除上述應(yīng)用外，還在不斷擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。 vn1*D-?  
Oh;V%G  
(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。 &1FyauH  
(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。 7-("ppYX=  
(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。 -GODM128 ^  
fRK=y+gl@  
三、CO2激光切割的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù) lXi
p%6c7  
hh8U/dVk*  
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)： +ux170Cd3  
;7U"wI_~c  
1、焦點(diǎn)位置控制技術(shù)： F5 7Kr5X  
F0KNkL>&g  
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。 Yv"
-_  
eCwR }m?_  
在工業(yè)生產(chǎn)中確定焦點(diǎn)位置的簡(jiǎn)便方法有三種： 6yK"g7  
<(_${zR  
(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)。 c