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激光切割工艺
激光切割
发表于2009-10-2620:
50|
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激光切割工艺
激光切割的工艺参数
（1）光束横模
①基模又称为高斯模，是切割最理想的模式，主要出现在功率小于1kW的激光器。
②低阶模与基模比较接近，主要出现在1～2kW的中功率激光器。
③多模是高阶模的混合，出现在功率大于3kW的激光器。
切割速度与横模及板厚的关系见图1。
由图可以看出，300W的单模激光和500W的多模有同等的切割能力。
但是，多模的聚焦性差，切割能力低，单模激光的切割能力优于多模。
常用材料的单模激光切割工艺参数见表1，多模激光切割工艺参数见表2。
表1常用材料的单模激光切割工艺参数
材料
厚度/mm
辅助气体
切割速度/cmmin-1
切缝宽度/mm
功率/W
低碳钢
3.0
O2
60
0.2
250
不锈钢
1.0
O2
150
0.1
钛合金
40.0
O2
50
3.5
钛合金
10.0
O2
280
1.5
有机透明玻璃
10.0
N2
80
0.7
氧化铝
1.0
O2
300
0.1
聚酯地毯
10.0
N2
260
0.5
棉织品（多层）
15.0
N2
90
0.5
纸板
0.5
N2
300
0.4
波纹纸板
8.0
N2
300
0.4
石英玻璃
1.9
O2
60
0.2
聚丙烯
5.5
N2
70
0.5
聚苯乙烯
3.2
N2
420
0.4
硬质聚氯乙烯
7.0
N2
120
0.5
纤维增强塑料
3.0
N2
60
0.3
木材（胶合板）
18.0
N2
20
0.7
低碳钢
1.0
N2
450
-
500
3.0
N2
150
6.0
N2
50
1.2
O2
600
0.15
2.0
O2
400
0.15
3.0
O2
250
0.2
不锈钢
1.0
O2
300
-
3.0
O2
120
胶合板
18.0
N2
350
表2常用材料的多模激光切割工艺参数
材料
板厚/mm
切割速度/cmmin-1
切缝宽度/mm
功率/kW
铝
12
230
1
15
碳钢
6
230
1
15
304不锈钢
4.6
130
2
20
硼/环氧复合材料
8
165
1
15
纤维/环氧复合材料
12
460
0.6
20
胶合板
25.4
150
1.5
8
有机玻璃
25.4
150
1.5
8
玻璃
9.4
150
1
20
混凝土
38
5
6
8
（2）激光功率
激光切割所需要的激光功率主要取决于切割类型以及被切割材料的性质。
汽化切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧气切割最小。
激光功率对切割厚度、切割速度和切口宽度等有很大影响。
一般激光功率增大，所能切割材料的厚度也增加，切割速度加快，切口宽度也有所加大。
激光功率与板厚和切割速度的关系见图2。
激光功率对切口宽度的影响见图3。
（3）焦点位置（离焦量）
离焦量对切口宽度和切割深度影响较大。
离焦量对切口宽度的影响见图4。
一般选择焦点位于材料表面下方的约1/3板厚处，切割深度最大，切口宽度最小。
采用激光功率为2.3kW、切割不同厚度钢板时，离焦量对切割质量的影响见图5。
（4）焦点深度
切割较厚钢板时，应采用焦点深度大的光束，以获得垂直度较好的切割面。
但焦点深度大，光斑直径也增大，功率密度随之减小，使切割速度降低。
若要保持一定的切割速度，则需要增大激光的功率；切割薄板宜采用较小的焦点深度，这样光斑直径小，功率密度高，切割速度加快。
（5）切割速度
切割速度直接影响切口宽度和切口表面粗糙度。
不同材料的板厚，不同的切割气体压力，切割速度有一个最佳值，这个最佳值约为最大切割速度的80％。
切割速度与材料板厚的关系见图6，图中的上、下曲线分别表示能够切透材料的最大和最小切割速度。
切割速度对切口宽度的影响见图7。
切割速度对切口表面粗糙度的影响见图8。
（6）辅助气体的种类和压力
切割低碳钢较多采用O2作辅助气体，以利用铁-氧燃烧反应热促进切割过程，而且切割速度快，切口质量好，可以获得无挂渣的切口。
切割不锈钢时，常使用O2N2混合气体或双层气流。
单用O2在切口底边会发生挂渣。
氧气纯度对切割速度有一定的影响，研究表明，氧气纯度降低2%，切割速度就会降低
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50%。
氧气纯度对切割速度的影响见图9。
气体压力增大，动量增加，排渣能力增强，因此可以使无挂渣的切割速度增加。
但压力过大，切割面反而会粗糙。
激光氧气切割时，氧气压力对切割速度的影响见图10。
从图10中可以看出，当板厚一定时，存在一个最佳氧气压力，使切割速度最大；当激光功率一定时，切割氧气压力的最佳值，随板厚的增加而减小。
激光切割时，还需要根据被切割材料选用辅助气体。
表3列出激光切割用主要辅助气体的适用材料。
表3激光切割用主要辅助气体的适用材料
辅助气体
适用材料
备注
空气
铝
切割厚度1.5mm以下，能获得良好的切割效果
塑料、木材、合成材料、玻璃、石英
-
氧化铝陶瓷
所有气体均适用，空气成本最低
氧气（O2）
碳素钢
切割速度高、质量好、切割面上有氧化物
不锈钢
切割速度高，切割面上有较厚的氧化层。
切割边用于焊接时需要进行机加工
铜
用于切割厚度3mm以下时，能获得良好的切割面
氮气（N2）
不锈钢
切割速度低，但切割边的抗腐蚀能力不降低
铝
用于切割厚度3mm以下时，切口整洁，切割面无氧化物
镍合金
-
氩气（Ar）
钛
也可用于其他材料的切割
激光切割的操作程序及技术要点
（1）焦点位置的检出
激光切割前需先根据材质调整光束焦点在工件上位置，由于激光束，特别是CO2气体激光，一般肉眼看不到，可采用图11所示的楔形丙烯块检测出焦点位置，然后调节割炬的高度，使焦点处于设定位置。
（2）穿孔操作要点
实际切割加工时，有的零件需从板材的内部开始切割，这就要先在板材上打孔。
一种方法是采用连续激光，在薄板上穿孔，可以用正常的辅助气体压力，光束照射0.2～1s就能贯穿工件，然后即可转入切割。
当工件厚度较大（如板厚为2～4mm）时，采用正常的气体压力穿孔，在工件表面上会形成尺寸比较大的熔坑。
不但影响切割质量，而且熔融物质溅出可能损坏透镜或喷嘴。
此时宜适当增大辅助气体的压力，同时略微增大喷嘴的孔径和喷嘴与工件的距离。
这种方法的缺点是气体流量增加并使切割速度降低。
另一种方法是采用脉冲激光穿孔，贯穿工件后再转为连续激光进行切割。
用这种方法时，每一个脉冲的能量要高，而脉冲间隔时间宜稍长一些，这样可获得质量较好的穿孔，但脉冲穿孔所花的时间稍多些。
（3）防止工件锐角转折处的烧熔
用连续激光切割带有锐角的零件时，如切割参数匹配或操作不当，在锐角的转折处很容易发生自烧熔现象，不能形成转角处的尖角。
这不仅使该部位的质量变差，而且还会影响随后的切割。
解决这一问题的办法是选择适宜的切割参数。
而采用脉冲激光切割时不存在锐角转折处的烧熔问题。
激光切割的质量
（1）零件的尺寸精度
激光切割的热变形很小，切割零件的尺寸精度主要取决于切割设备（包括驱动式工作平台）的机械精度和控制精度。
在脉冲激光切割中，采用高精度的切割设备和控制技术，尺寸精度可达到微米级。
CO2脉冲激光切割3mm厚的高碳钢时尺寸偏差小于50μm。
（2）切口质量
激光切割的切口质量主要包括切口宽度、切割面的倾斜角和切割面粗糙度等。
切口质量要素如图12所示。
1）切口宽度
激光切割金属材料时，切口宽度同光束模式和聚焦后光斑直径有很大的关系。
根据光束模式和焦距，CO2激光束聚焦后的光斑直径一般在0.15～0.3mm之间。
切割低碳钢薄板时，在适当加快切割速度的情况下，由于焦点设在工件的表面，切口宽度大致上等于光斑直径。
随着切割板厚的增加，切割速度也下降，就形成上宽下窄的楔形切口[见图12（a）]，而且上部的切口宽度通常也大于光斑直径。
CO2激光切割碳素钢时，切口宽度一般约为0.2～0.3mm。
2）切割面的倾斜角（θ）
激光切割厚板时，通常切口呈上宽下窄的楔形切口，有时切口下缘也出现倒V形[见图12（b）]。
切割面的倾斜角θ与切割方向有关。
CO2连续激光切割八边形碳素钢试件（见图
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13）时切割面的倾斜角实测值见表4。
表4CO2连续激光切割八边形碳素钢试件切割面的倾斜角实测值
切割方向及测定位置
A
B
C
D
E
F
G
H
第1次测定值/（°）
1
1
1
0
0
0
0
0
第2次测定值/（°）
1
1
0
0
1
1
1
1
平均值/（°）
1
1
0.5
0
0.5
0.5
0.5
0.5
注：
1.激光器：
CO2连续激光，单模式，额定输出功率2000W。
2.切割速度为65cm/min。
由表4可见，无论哪一个切割方向，切割面的倾斜角θ都在0°～1°之间，基本上看不出明显的倾斜。
CO2激光切割不锈钢时，为避免粘渣，焦点位置通常设在钢板表面以下部位，因此倾斜角θ比切割碳素钢时略大，而且即使切割不锈钢薄板时也经常出现倾斜的切割面。
切口下缘倒V形塌角量△F，在激光照射功率密度P0=3×106W/cm2的条件下，其值大致为
△F≈（10～25）t
（1）
式中△F――塌角量，μm；
t――板厚，mm。
当激光照射功率密度P0增大时，塌角量△F就减小。
因此采用高功率密度的激光束切割时，切口下缘倒V形塌角量就不明显。
3）切割面的粗糙度
影响激光切割面的因素很多，除光束模式和切割参数外，还与照射功率密度、切割工件的材质和厚度有关。
另外，沿板厚方向切割面粗糙度也存在很大的差异，一般上部较细，下部较粗。
功率1000W的CO2连续激光切割钢材时，在激光照射功率密度P0≈3×106W/cm2的条件下，切割面的平均粗糙度PZ可按式
（1）估算。
且随着激光照射功率密度P0的增大，粗糙度PZ相应减小。
图14所示为低碳钢切割面的平均粗糙度与板厚的关系。
由图可见，低碳钢切割面的粗糙度随板厚增大而变大。
板厚1cm左右，其粗糙度为10μm级。
CO2激光切割低碳钢中厚板时切割面最大粗糙度的实测值见表5，最大粗糙度与板厚的关系见图15。
表5CO2激光切割低碳钢中厚板时切割面最大粗糙度的实测值
板厚/mm
9
12
16
19
平均厚度/mm
切割面最大粗糙度
Rmax/μm
上
11.00
13.88
17.32
25.96
17.04
中
11.72
19.48
20.72
29.64
20.39
下
17.76
35.56
43.16
54.16
37.66
平均值/μm
13.49
22.97
27.07
36.58
25.03
由图16和表5可以看出，切割面粗糙度随板厚和沿板厚的不同位置有所差别。
CO2脉冲切割面的粗糙度大大低于连续激光切割，在选用切割参数恰当的条件下，粗糙度仅为1～2μm。
激光功率1000W，CO2连续激光切割各种铝合金时切割面粗糙度的实测值见表6。
表6CO2连续激光切割各种铝合金时切割面粗糙度的实测值
板厚/mm
割纹深度/μm
AlCuMg合金（Mg2%）
AlZnMgCu合金（Cu1.5%）
AlMgSiCu合金
0.8
44
50
35
1.2
132
58
53
1.4
152
70
64
1.6
192
164
71
由表6可见，铝合金的激光切割面的粗糙度比碳素钢大得多。
钛合金的CO2激光切割面的粗糙度一般在15～170μm。
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