co2激光切割機的幾項關鍵技術是光、機俏妆、電一體化的綜合技術樱凄。

在co2激光切割機中激光束的參數(shù)、機器與數(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)量失欢。特別是對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關鍵技術： 1戈弧、焦點位置控制技術：激光切割的優(yōu)點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,所以焦點光斑直徑盡可能的小,以便產(chǎn)生一窄的切縫晨另；同時焦點光斑直徑還和透鏡的焦深成正比潭千。聚焦透鏡焦深越小,焦點光斑直徑就越小。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激光切割機工業(yè)應用中廣泛采用5〃~7.5〃〞(127~190mm)的焦距借尿。實際焦點光斑直徑在0.1~0.4mm之間刨晴。對于高質(zhì)量的切割,有效焦深還和透鏡直徑及被切材料有關。例如用5〃的透鏡切碳鋼,焦深為焦距的+2%范圍內(nèi),即5mm左右路翻。因此控制焦點相對于被切材料表面的位置十分重要狈癞。顧慮到切割質(zhì)量、切割速度等因素,原則上6mm的金屬材料,焦點在表面上； 6mm的碳鋼,焦點在表面之上蝶桶； 6mm的不銹鋼,焦點在表面之下慨绳。具體尺寸由實驗確定。

在工業(yè)生產(chǎn)中確定焦點位置的簡便方法有三種：

（1）打印法：使切割頭從上往下運動,在塑料板上進行激光束打印,打印直徑最小處為焦點真竖。

（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,尋找激光束的最小處為焦點脐雪。

（3）藍色火花法：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動,直至藍色火花最大處為焦點。對于飛行光路的切割機,由于光束發(fā)散角,切割近端和遠端時光程長短不同,聚焦前的光束尺寸有一定差別恢共。入射光束的直徑越大,焦點光斑的直徑越小战秋。為了減少因聚焦前光束尺寸變化帶來的焦點光斑尺寸的變化,國內(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行擴束處理,擴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)近端和遠端聚焦前光束尺寸接近一致沛野。

（2）在切割頭上增加一獨立的移動透鏡的下軸,它與控制噴嘴到材料表面距離（stand off）的z軸是兩個相互獨立的部分莱腾。當機床工作臺移動或光軸移動時,光束從近端到遠端f軸也同時移動,使光束聚焦后光斑直徑在整個加工區(qū)域內(nèi)保持一致。如圖二所示含话。

（3）控制聚焦鏡（一般為金屬反射聚焦系統(tǒng)）的水壓途陵。若聚焦前光束尺寸變小而使焦點光斑直徑變大時,自動控制水壓改變聚焦曲率使焦點光斑直徑變小。

（4）飛行光路切割機上增加x茂钠、y方向的補償光路系統(tǒng)脚们。即當切割遠端光程增加時使補償光路縮短；反之當切割近端光程減小時,使補償光路增加,以保持光程長度一致径塔。

2.切割穿孔技術：任何一種熱切割技術,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鳖路。早先在激光沖壓復合機上是用沖頭先沖出一孔,然后再用激光從小孔處開始進行切割。對于沒有沖壓裝置的激光切割機有兩種穿孔的基本方法：

（1）爆破穿孔：(blast drilling)凰番，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盏萝。一般孔的大小與板厚有關,爆破穿孔平均直徑為板厚的一半,因此對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相同,飛濺較大褒堆。

（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,常用空氣或氮氣作為輔助氣體,以減少因放熱氧化使孔擴展,氣體壓力較切割時的氧氣壓力小澡呼。每個脈沖激光只產(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厉碟。這樣穿孔直徑較小,其穿孔質(zhì)量優(yōu)于爆破穿孔喊巍。為此所使用的激光器不但應具有較高的輸出功率；更重要的時光束的時間和空間特性,因此一般橫流co2激光器不能適應激光切割的要求箍鼓。此外脈沖穿孔還須要有較可靠的氣路控制系統(tǒng),以實現(xiàn)氣體種類崭参、氣體壓力的切換及穿孔時間的控制。在采用脈沖穿孔的情況下,為了獲得高質(zhì)量的切口,從工件靜止時的脈沖穿孔到工件等速連續(xù)切割的過渡技術應以重視款咖。從理論上講通澈文海可改變加速段的切割條件：如焦距、噴嘴位置铐殃、氣體壓力等,但實際上由于時間太短改變以上條件的可能性不大海洼。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,具體方法有以下三種：（1）改變脈沖寬度砍聊；（2）改變脈沖頻率；（3）同時改變脈沖寬度和頻率贰军。實際結(jié)果表明,第（3）種效果最好。

3.噴嘴設計及氣流控制技術： 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蟹肘。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词疼；同時又有足夠的動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,噴嘴的設計及氣流的控制（如噴嘴壓力谅儡、工件在氣流中的位置等）也是十分重要的因素秫丐。目前激光切割用的噴嘴采用簡單的結(jié)構(gòu),即一錐形孔帶端部小圓孔（如圖4）。通常用實驗和誤差方法進行設計妈扁。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,因此不進行流體力學計算與分析竹俱。在使用時從噴嘴側(cè)面通入一定壓力pn(表壓為pg)的氣體,稱噴嘴壓力,從噴嘴出口噴出,經(jīng)一定距離到達工件表面,其壓力稱切割壓力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也不斷增加粘胧。

可用下列公式計算： 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

對于不同的氣體有不同的壓力閾值,當噴嘴壓力超過此值時,氣流為正常斜激波,氣流速從亞音速向超音速過渡摊房。此閾值與pn、pa比值及氣體分子的自由度（n）兩因素有關：如氧氣诅潮、空氣的n=5,因此其閾值pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar昨哑。當噴嘴壓力更高pn/pa=(1+1/n)1+n/2時（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,影響了切割速度胜全。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以下域毡。

為進一步提高激光切割速度,可根據(jù)空氣動力學原理,在提高噴嘴壓力的前提下不產(chǎn)生正激波,設計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)琅功。德國漢諾威大學激光中心使用500wco2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,見圖4考余。試驗結(jié)果如圖5所示：分別表示no2、no4轧苫、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)關系楚堤。從圖中可以看出no2小孔噴嘴在pn為400kpa（或4bar）時切割速度只能達到2.75m/min（碳鋼板厚為2mm）。no4浸剩、no5二種拉伐爾噴嘴在pn為500kpa到600kpa時切割速度可達到3.5m/min和5.5m/min钾军。應指出的是切割壓力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绢要。

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)吏恭。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,與聚焦光束難以匹配而無法采用重罪。

綜上所述,co2激光切割機技術正在我國工業(yè)生產(chǎn)中得到越來越多的應用,國外正研究開發(fā)更高切割速度和更厚鋼板的切割技術與裝置樱哼。為了滿足工業(yè)生產(chǎn)對質(zhì)量和生產(chǎn)效率越來越高的要求,必須重視解決各種關鍵技術及執(zhí)行質(zhì)量標準,以使這一新技術在我國獲得更廣泛的應用。

這個技術的應用面起來越廣剿配，隨著國家的發(fā)展搅幅，今后許多重工業(yè)都需要這們技術.

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