激光切割技术的深入研究与应用

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1、激光切割技术的深入研究与应用王艳清(南车二七车辆有限公司，北京100072)摘要：文中介绍了激光切割的原理以及结构钢、不锈钢、铝合金和非金属材料的激光切割的工艺参数研究和应用实例。关键词：激光切割；原理；工艺参数；应用中图分类号：Tc506．9文献标识码：B文章编号：1672—40ll(2012)03一0252一03O前言激光切割技术在现代制造业中得到广泛的应用，相比其它切割技术具有适应性广、精度高、效率高、辅助功能多等优点，对激光切割中各项参数的配合进行研究与试验应用。l激光切割的基本原理从板材切割效率与切割质量方面考虑，目前C0：

2、气体激光器的应用比较多，故以c0：气体激光器的应用为研究对象。CO：激光器就是利用c0：分子的振动和转动能级间的跃迁来产生激光的，激光波长为10．6¨肌。利用气体放电泵的方法向c0：气体分子注入能量，使放电管中c02分子达到反转分布状态：将直流电压的两输出端分别接到放电管的两电极上，气体中开始有带电粒子移动，气体的内阻开始减小，当达到某一电压值时，内阻急剧减小，电流迅速增加、气体被击穿、放电开始，这一电压值叫做着火电压；放电管中的气体被击穿放电后，激光放电管的内阻下降、又进一步引起电流的增加，这一过程反复进行。在混合气体中，N：分子与

3、电子碰撞、获得的电子能量而被激发，而在N2分子与CO：分子碰撞时又把它从电子获得的能量转移给cO：分子，使cO：分子被激发，密封在容器内的4％c0：、26％N，和70％He采用混合气体(纯度99．99％以上)体积比为5：55：40(允许偏差5％)，混合气作为工作物质经受激震荡后产生光放大。借助设在容器两端的反射镜使其在反射镜之间区域不断受激励放大形成有效激光光束。CO：激光器的电光转换效率一般为lO一20％，其余能量使得工作气体能量迅速升高，当温度大于300℃时，放电粒子停止反转，当温度大于150℃时，电光转换效率已明显下降。所以激光

4、器必须采用高速风机与热交换器来冷却工作气体，目前某公司现有c3000激光器的设计基于轴快流原理；轴快流C0：激光器气流方向、放电方向和激光束输出方向一致，通过一个紧凑型的激光谐振腔产生高功率的激光光束。它具有优良的光束质量，不仅可以连续谐振工作外，还可以通过调整占空比(脉冲时间内激光开关的实际所占的比率)来实现脉冲切割。材料的切割过程是利用经过聚焦的高密度激光束加热到材料熔化和气化所需的湿度，在光束附近形成熔化区，该熔化区被氧气流进一步加热，达到接近沸点的温度，熔池产生的气化把材料移走。同时，借助于与光束同轴的高速气流，液化材料从工件

5、下部排出。当我们使用惰性气体作为辅助气体(在切割不锈钢时)，液化材料随气体排出，该气体也保护割缝以防氧化。连续的熔化区沿着切割方向逐渐滑移，得到一条连续割缝，完成切割过程。2激光切割工艺激光切割在实际应用中，零件的加工质量与效率受到切割模式、切割功率、切割速度、气体压力、割嘴型号和光心调整等众多工艺参数共同影响。对加工参数进行总结和优化，实现高效率、高质量加工。(1)结构钢、不锈钢的激光切割研究。厚度在12mm以下结构钢及厚度在8mm以下的不锈钢在铁路货车制造业中使用较多，故设为主要研究对象，对其加工参数进行试验，优化其零件加工工艺。

6、1)切割模式。c0：气体激光切割分为连续切割和脉冲切割两种模式。连续切割法是使振荡输出连续地发生从而进行切割的方法。连续切割的优势在于切割速度高，但由于对被切割材料连续的热量输入，影响零件的切割断面质量和尺寸精度，切割质量不太好。脉冲切割法是使振荡输出间断地发生从而进行切割的方法。通过将投入材料的热量降到最低限，能够得到良好的切割断面和尺寸精度。脉冲切割的优势在于质量好，由于对被切割材料断续输入热量，热量输入总量小，所以零件的切割断面光滑，尺寸精度高，但切割速度慢，在实际生产中应用较少。本文主要针对连续切割模式下各加工参数进行总结和优

7、化。以c3000的激光器为例，连续切割12mm的低碳钢速度可达1400咖n／lIlin，但脉冲只有l000mm／lllin，速度相差400mm／IIlin。而且越是切割薄板速度差距越大。对于切割模式的选择，应在零件质量要求不高时，选用连续切割模式。在零件质量要求高时选用脉冲切割模式激光。连续切割主要工艺参数包括激光功率、辅助气体种类及压力、切割速度、焦点位置、板材厚度。脉冲切割主要工艺参数包括脉冲频率、占空比、辅助气体种类及压力、切割速度、焦点位置、板材厚度等。对于同一个配件，C3000激光切割器提供了多层参数的调用功能，切割时对层参

8、数的分别调用实现了连续切割与脉冲切割的联合使用。有效地保证了切割配件质量的工艺要求与切割效率。在c3000激光切割器里，我们可以设置多组参数来进行同一配件的加工。2)切割功率与切割速度、钣金厚度的关系。在切割结构钢、不锈