激光切割的工艺

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激光切割设备不为人知的奥秘

2015-08-04激光制造网LaserfairCom

一台技术先进功能强大的高功率激光切割机，称得上是庞然大物。此复杂庞然大物的奥妙之处，须细加窥探，才能得其门道。让我们一起来窥探。

1.蛙跳

蛙跳是激光切割机的空程方式。

如下图所示，切割完孔1，接着要切割孔2。切割头要从点A移动到点B。当然，移动过程中要关闭激光。从点A到点B之间的运动过程，机器“空”跑，称为空程。

早期的激光切割机的空程如下图所示，切割头要次第完成三个动作：上升（到足够安全的高度）、平动（到达点B的上方）、下降。

压缩空程时间，可提高机器的效率。如果将次第完成的三个动作，变为“同时”完成，可缩短空程时间：切割头从点A开始向点B移动时，即同时上升；接近点B时，同时下降。如下图所示。

切割头空程运动的轨迹，犹如青蛙跳跃所画出的一条弧线。

在激光切割机的发展过程中，蛙跳算得上一个突出的技术进步。蛙跳动作，只占用了从点A 到点B平动的时间，省却了上升、下降的时间。青蛙一跳，捕捉到食物；激光切割机的蛙跳，“捕捉”到的是高效率。

如果激光切割机现在还不具备蛙跳功能，恐怕就不入流了。

2.自动调焦

切割不同材料时，要求激光束的焦点落在工件截面的不同位置。如下图所示。

因此，就需要调整焦点的位置（调焦）。早期的激光切割机，一般采用手动调焦方式；当下，许多厂商的机器都实现了自动调焦。

可能有人会说，改变切割头的高度就好了，切割头升高，焦点位置就高，切割头降低，焦点位置就低。没有这么简单。

如下图所示，切割头底部为喷嘴。在切割过程中，喷嘴与工件之间的距离（喷嘴高度）约0.5～1.5mm，不妨看作是一个固定值，即喷嘴高度不变，所以不能通过升降切割头来调焦（否则无法完成切割加工）。

聚焦镜的焦距是不可改变的，所以也不能指望通过改变焦距来调焦。

如果改变聚焦镜的位置，则可改变焦点位置：聚焦镜下降，则焦点下降，聚焦镜上升，则焦点上升。——这确是调焦的一种方式。采用一个电机驱动聚焦镜作上下运动，可以实现自动调焦。

另一种自动调焦的方法是：在光束进入聚焦镜之前，置一变曲率反射镜（或称可调镜），通过改变反射镜的曲率，改变反射光束的发散角度，从而改变焦点位置。如下图所示。

有了自动调焦功能，可显著提高激光切割机的加工效率：厚板穿孔时间大幅缩减；加工不同材质、不同厚度的工件，机器可自动将焦点快速调整到最合适的位置。

3.自动寻边

如下图所示，当板料放到工作台上时，如果歪斜，切割时可能造成浪费。如果能够感知板料的倾斜角度和原点，则可调整切割加工程序，以适合板料的角度和位置，从而避免浪费。自动寻边功能应运而生。

启动自动寻边功能后，切割头从P点出发，自动测得板料两垂直边上的3点：P1、P2、P3，并据此自动计算出板料的倾斜角度A，以及板料的原点。

借助自动寻边功能，省却了早先调整工件的时间——在切割工作台上调整（移动）重达数百公斤的工件不是件易事，提升了机器的效率。

一台技术先进功能强大的高功率激光切割机，是光、机、电一体化的复杂系统。细微之处，往往隐藏奥妙。让我们一起来窥探其奥妙。

4.集中穿孔

集中穿孔，也称预穿孔，是一种加工的工艺，并非机器本身的功能。

激光切割较厚板材时，每一轮廓的切割加工都要经历两个阶段：1.穿孔、2.切割。

常规加工工艺（A点穿孔→切割轮廓1→B点穿孔→切割轮廓2→……）

所谓集中穿孔，就是将整张板上的所有穿孔过程提前集中执行，然后回头再执行切割过程。

集中穿孔加工工艺（完成所有轮廓的穿孔→回到起点→切割所有轮廓）

与常规加工工艺相比，集中穿孔时，机器的运行轨迹总长是增加了的。那为什么还要采用集中穿孔呢？

集中穿孔可避免过烧。厚板穿孔过程中，在穿孔点周围形成热量聚集，如紧接着切割，就会出现过烧现象。采用集中穿孔工艺方式，完成所有穿孔、返回起点再切割时，由于有充分的时间散热，就避免了过烧现象。

集中穿孔可提高加工效率。目前，仍有许多激光切割机不具备自动调焦的功能。加工厚板，穿孔、切割两个阶段的工艺参数（激光模式、功率、喷嘴高度、辅助气体压力等）是不同的。穿孔过程中喷嘴高度要高于切割过程。如果采取常规的加工工艺（轮廓1穿孔→轮廓1切割→轮廓2穿孔→轮廓2切割→……），为了保证切割质量和效率，激光束的焦点只能按照切割的需要人工调定到最佳位置（试想如果是这样：一开始，将焦点人工调定到穿孔所需要的位置，穿孔；然后，再将焦点调到切割所需要的位置，切割；再调到穿孔位置，穿孔；……；直至加工完成——这简直是恶梦）。因此，穿孔时的焦点就必定不在最佳位置，穿孔时间也就较长。但是，采取集中穿孔方式，就可先将焦点调整到适合穿孔的位置，待穿孔完成后，使机器暂停，再将焦点位置调整到切割所要求的最佳位置；这样，穿孔时间可缩短一半以上，大大提升效率。当然，如必要，还可在集中穿孔和切割中间调整或改变其他工艺参数（比如可使用空气＋连续波进行穿孔，而使用氧气进行切割，中间有足够的时间完成气体的切换）。我们一般把驱动聚焦镜自动变焦称作F轴；像这样采用手动变焦进行集中穿孔、切割，是不是可以叫做“H”（Hand）轴“变焦”呢？

集中穿孔也有风险。如果在切割过程中发生碰撞，致使板材位置变动，则尚未切割的部分可能报废。

集中穿孔工艺需要自动编程系统的帮助。

5.桥位（微连接）

进行激光切割加工时，板料被锯齿状的支撑条托住。被切割下来的零件，如果不够小，不能从支撑条的缝隙中落下；如果又不够大，不能被支撑条托住；则可能失去平衡，翘起。高速运动的切割头可能与之发生碰撞，轻则停机，重则损坏切割头。