项目任务七激光切割加工

教学过程
一、项目提出
图8-1 各种激光切割钣金材料图
大功率激光切割在钣金加工行业应用广泛，发展前景好，操作大型数控激光切割机进行钣金加工是一项技术含量较高的工作，做到熟练掌握其加工技术，需要熟练掌握有关设备知识和加工工艺方法，学会进行工艺流程整体设计。

二、项目分析
要熟练进行大功率激光切割，必须具备相关知识技能如下：
1.了解大功率激光切割机种类、结构和操作方法；
2.掌握影响激光切割效果的因素；
3.学会调整激光切割工艺参数进行激光切割加工；
4.学会整体设计规划激光切割工艺试验。

三、项目计划决策
1.利用有关图片和现场教学了解大功率激光切割机的种类、结构及操作方法；
2.利用多媒体设备介绍影响激光切割效果的因素；
3.现场教学，调整激光切割工艺参数进行激光切割加工。

四、项目实施准备
各种多媒体课件制作，相关网站资料收集，生产性实训基地影响。

五、项目实施及检查
1. 大功率激光切割机种类及结构
图8-2 按数控系统区别分类图
大功率激光
切割机
定光路型混合光路型飞行光路型
图8-3 大型激光切割机实物图
图8-4 大型激光切割机模型图
图8-5 大型激光切割机结构图
激光切割设备各结构的作用如下。

（1）激光电源：供给激光振荡用的高压电源。

（2）激光振荡器：产生激光的主要设备。

（3）折射反射镜：用于将激光导向所需要的方向。

为使光束通路不发生故障，所有反
射镜都要用保护罩加以保护。

（4）割炬：主要包括枪体、聚焦透镜和辅助气体喷嘴等零件。

（5）切割工作平台：用于安放被切割工件，并能按控制程序正确而精确地进行移动，通常由伺机电机驱动。

（6）割炬驱动装置：用于按照程序驱动割炬沿X 轴和Z 轴方向运动，由伺服电动机和丝杆等传动件组成。

（7）数控装置：对切割平台和割炬的运动进行控制，同时也控制激光器的输出功率。

（8）操作盘：用于控制整个切割装置的工作过程。

（9）气瓶：包括激光工作介质气瓶和辅助气瓶，用于补充激光振荡器的工作气体和供给切割用辅助气体。

（10）冷却水循环装置：用于冷却激光振荡器。

激光器是利用电能转换成光能的装置，如CO 2气体激光器的转换效率一般为20%，剩余的80%能量就变换为热量。

冷却水把多余的热量带走以保持振荡器的正常工作。

（11）空气干燥器：用于向激光振荡器和光束通路供给洁净的干燥空气，以保持通路和反射镜的正常工作。

图8-6 大型激光切割机割矩结构图 表8-1 几种CO 2激光器的主要特性
类型
构成简图
实用输出 功率/W
优点
缺点
气体封闭式
100 结构简单
功率小， 实用性差
低速轴流式
1000
可获得稳定 的基模激光
外形尺寸较 大，维护保 养较难
CO 2/N 2/He
高压电源
气体 气体 注入 向冷媒的热扩散冷冷媒
高压电
CO 2/N 2/H
热扩散冷却
高速轴流式
3000
可在体积不
大 的情况下获
得 较大的输出
功 率，维护保养
方便
输出功率的
稳 定性取决于
风 机的可靠性
横流式
15000
可获得很高 的输出功率
光束能量分
布 为复式，效率
较低
2.影响激光切割效果的因素 （1）激光切割质量评价体系
图8-7 大型激光切割机切割质量评价体系图
（2）切割效果影响因素
图8-8 大型激光切割机切割影响因素图
3.到企业进行现场教学。

六、项目评价及讨论
课堂请同学归纳总结并布置课下作业如下： 1.简述影响激光切割效果的工艺参数。

2.简述激光切割设备基本构造。

3.激光切割工艺实验报告。

七、项目必备理论知识或其它参考资料
激光切割质量评价体系
切口宽度
切割面的粗
糙度 切割面的倾斜角
热影响区 粘渣
热交换器
鼓风 机
CO 2/N 2/He 高压电源
高压电源
气体流 风机
热交换器
（一）工艺参数对切割质量的影响
1. 激光输出功率
激光输出功率是与熔融被加工材料能力有直接关系的参数，而影响的程度则依被加工材料对激光的反射率、熔点、耐氧化性的不同而有所不同。

对特定材料，激光输出功率越大，所能切割的材料厚度也越厚。

激光功率增加，切割速度变大时切割质量仍然很好，切割速度的变化范围也随之扩大，这样也就提高了切割的质量稳定性和效率。

激光输出功率变化，在其他条件不变时，激光功率密度变化。

激光功率密度P 0与切割面粗糙度R z 的关系如图8-9所示，随着激光功率密度的提高，粗糙度降低。

当功率密度P 0达到某一值后，粗糙度R z 值不再减小。

我们可以根据加工过程中火花和加工后的切割面的情况，来判断使用的激光功率是否合适。

如图8-10所示，激光输出功率远大于标准值时，切缝周围的热影响区（烧痕）增大，转角部位出现熔损，切割面条痕变粗，且从上部垂直延伸至下部。

如果激光输出功率远小于标准值时，切缝下部就显著变粗，成为凹进去的状态。

而且，沾渣的附着量增多并很难去除。

切割过程中的火星明显滞后于切口前端。

合适的加工激光功率存在于一定的范围内，被加工板材越薄，功率调节范围就越宽。

在适当的激光功率条件下的加工，切割面的条痕细，下部相对于光束部位稍有滞后。

2. 切割速度
上边缘 切割面粗糙度测定区 下边缘
ΔF （塌角量） 粗糙度R z /µm
R z 范围 功率密度P 0/W .cm -2
图8-9 激光功率密度与切割面粗糙度的关系 边缘熔
损 光束行进
方向 （c ）
烧
焦 图8-10 输出功率对加工的影响
（a ）输出功率过大的情况 （b ）输出功率不
适当的情况（条痕粗糙并且垂直） （b ） （a 光束行进方向
激光输出功率和切割速度一起决定被加工件的热输入量，激光切割速度直接与有效功率密度成正比。

而激光功率密度与又激光输出功率、光束模式和光斑尺寸有关。

除此之外，切割速度还与材料密度、材料起始蒸发能和材料厚度有关。

对金属材料，在特定工艺条件下，切割速度存在一个合理的调节范围，如图8-11所示。

曲线上限表示允许的最高切割速度，下限表示防止材料切割时发生过烧的最低切割速度。

如图8-12所示为钢在某一功率条件下，材料厚度和切割速度的关系曲线。

切割速度对切逢宽度、热影响区大小和切口粗糙度有较大影响。

如图8-13所示，随着切割速度增加，切缝顶部宽度和热影响区大小都单一减小，而切缝底部则都存在最小值。

切割速度与切口粗糙度关系如图8-14所示，速度过低时，切口宽度增大，切口波浪形比较严重，切割面变得粗糙。

随着切割速度的加快，切口逐渐变窄，直至上部的切口宽度相当于光斑直径。

此时切口呈上宽下窄的V 形。

继续增加切割速度，上部切口宽度仍然减小，但下部相对变宽而形成倒V 形。

总之，切割速度取决于激光的功率密度及被切割材料的性质和厚度等。

在一定的切割条件下，存在最佳的切割速度范围。

切割速度过高，切口清渣不净；切割速度过低，则材料过烧，切口宽度和热影响区过大。

要获得最佳切割效果，就要保持恒定的最佳切割速度。

实际切割中，激光切割头有一定的惯量，在启动、停止，或加工到轨迹图形的拐角处时存在一个加速和减速的过程。

对于质量要求较高的切割，必须调整其他参数（如减小激光功率或转换成脉冲输出），或者在程序设计时设置辅助切割路径，把加速或减速段放到工件以外（如图8-15所示），避免被加工件尖角部位因热集中而烧蚀，从而保证加工的质量。

材料厚度/mm
切割速度
.
过烧切割区 不完全切割区
质量满意切割区
图8-11切割速度与材料厚度关系 P 0=1000W 低碳钢 高合金钢 板厚t /mm 图8-12 钢板切割速度与材料厚度关系 切割速度v /m .m i n -1
图8-13 切割速度对切缝宽度和热影响区的大小的影响
切割速度/mm .s -1 （a ）切割速度对切缝宽度的影响 切割速度/mm .s -1 （b ）切割速度对热影响大小的影响 顶缝 底缝 底边 顶边
切缝宽度/m m
热影响区/m m
切割速度/m .min -1
上部
下部
中部
S PIC 功率400W （TEM 00） 焦点距离63.5mm
A C
B 切口粗糙度R z /µm
图8-14 切割速度对切口粗糙度
图8-15 工件拐角处的切割编程方法
3. 焦点位置
在透镜的焦长确定后，焦点与工件表面的相对位置对激光切割的质量产生很大影响。

对于金属薄板（板厚6mm以内）的切割，焦点在材料表面上下一定范围内都可获得不沾渣的切割面。

大多数情况下，焦点位置设置在工件表面，或稍微在工件表面以下。

对于不同的激光切割机以及不同的切缝宽度和质量要求，具体的焦点位置应由实验确定。

有时，在切割过程中透镜因冷却不良而产生热形变从而引起焦长的变化，或切割进行中的气流密度梯度场造成的再聚焦作用，都会导致焦点位置的变化，因而带来切割质量的变化，这就需要在及时调整焦点位置。

4. 辅助气体
一般情况下，激光切割都需要使用辅助气体。

辅助气体对激光切割质量的影响来自两个方面，一是辅助气体的种类，一是辅助气体的压力。

在激光切割加工中，辅助气体的主要作用是驱除熔渣、保护透镜不受污染、冷却切缝邻近区域以减小热影响区。

如果是非活性气体，还起到排开空气中氧气以保护被切割材料不被氧化或过度燃烧的作用；如果是活性气体，还起到与金属产生放热化学反应，增加切割能量的作用。

一般来说，辅助气体与激光束同轴喷出。

如何确定辅助气体的种类，牵涉到有多少热量附加到切割区的问题。

如分别使用氧和氩作为辅助气体切割金属时，热效果就会出现很大的不同。

对大多数金属一般采用氧助熔化切割，即使用活性气体（主要为氧气）。

据估计，氧助切割钢材时，来自激光的能量仅占切割总能量的30%，而70%能量来自于铁与氧气产生的放热化学反应。

附加能量能将激光切割速度提高1/3～1/2。

但对活泼金属的氧助熔化切割，由于化学反应太激烈，引起切割面粗糙，宜用低氧浓度辅助气体，或直接使用空气。

如果要获得高的切边质量，如切割钛，也可使用惰性气体。

非金属激光切割对辅助气体密度和化学活性没有金属那样敏感，一般使用压缩空气。

对于确定的辅助气体，气体压力大小也是影响激光切割质量的重要因素。

激光切割对辅助气体的基本要求是进入切口的气流量要大，速度要高，以便有充足的气体透过氧化物到达切口前沿与材料进行充分的放热反应，并有足够的动量驱除熔渣。

辅助气体压力过低，不足以驱除切口处的熔融材料；压力过高，易在工件表面形成涡流，也会削弱气流驱除熔融材料的作用。

当高速切割薄形材料时，需要较高的气体压力以防止产生切口粘渣。

当材料厚度增加或切割速度较慢时，则气体压力宜适当降低。