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激光切割设备的组成 |
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激光切割设备的组成
激光切割设备按激光工作物质不同，可分为固体激光切割设备和气体激光切割设备；按激光器工作方式不同，分为连续激光切割设备和脉冲激光切割设备。激光切割大都采用CO2激光切割设备，主要由激光器、导光系统、数控运动系统、割炬、操作台、气源、水源及抽烟系统组成。典型的CO2激光切割设备的基本构成见图1。
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CO2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。
⑾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。
激光切割用激光器
切割用激光器主要有CO2气体激光器和钇铝石榴石固体激光器（通常称YAG激光器）。CO2激光器与YAG激光器的基本特性及主要用途见表1，切割加工性能比较见表2。表1 CO2激光器与YAG激光器的基本特性及主要用途
激光器 | 波长/µm | 振荡形式 | 输出功率 | 效率①/% | 用途 | CO2激光器 | 1.06 | 脉冲/连续 | 1.8kW脉冲能量0.1～150J | 3 | 打孔、焊接、切割、烧刻 | YAG激光器 | 10.6 | 脉冲/连续 | 20kW | 20 | 打孔、切割、焊接、热处理 |
①效率指投入激光器工作介质的能量与激光输出能量之比。表2 CO2激光器与YAG激光器的切割加工性能比较
项目 | CO2激光器 | YAG激光器 | 聚焦性能 | 光束发散角小，易获得基模，聚焦后光斑小，功率密度高 | 光束发散角小，不易获得单模式（仅超声波Q开关YAG激光器能生产单模式），聚焦后光斑较大，功率密度低 | 金属对激光的吸收率（常温） | 低 | 高 | 切割特性 | 好（切割厚度大，切割速度快） | 较差（切割能力低） | 结构特性 | 结构复杂，体积较小，对光路的精度要求高 | 结构紧凑，体积小，光路和光学零件简单 | 维护保养性 | 差 | 良好 | 加工柔性 | 差（光束的传达依靠反射镜，难以传送到不同加工工位） | 好（可利用光纤维传达光束，1台激光器可用于多个工位，也能多台同型激光器连用） |
⑴CO2气体激光器
CO2气体激光器是利用封闭在容器内的CO2气体（实际上是CO2、N2和He的混合体）作为工作物质经受激振荡后产生的光放大。CO2气体激光器的基本结构见图2。气体通过施加高压电形成辉光放电状态，借助设在容器两端的反射镜使其在反射镜之间的区域不断受激励并产生激光。
CO2气体激光器主要有气体封闭容器式、低速轴流式、高速轴流式和横流式（即放电方向、光轴方向与气体流动方向成正交）等类型。激光切割一般使用轴流式CO2气体激光器。
几种CO2激光器的主要特性见表3。
⑵TAG固体激光器
YAG固体激光器的结构原理见图3。它是借助光学泵作用将电能转化的能量传送到工作介质中，使之在激光棒与电弧灯周围形成一个泵室。同时通过激光棒两端的反光镜，使光对准工作介质，对其进行激励以产生光放大，从而获得激光。
切割用YAG激光器的种类和主要用途见表4。表4 切割用YAG激光器的种类和主要用途
项目 | 连续激光器 | 脉冲激光器 | 一般连续振荡 | Q开关振荡 |
激励用灯 | 电弧灯 | — | 闪光灯 | Q开关 | — | 超声波Q开关 | — | 脉冲宽度 | — | 50～500ms | 0.1～20ms | 重复频率/kHz | — | ＜50 | （1～500）×10-6 | 峰值频率/kW | — | 10～250 | 1～20 | 平均输出功率/W | 1～1800 | 100 | 1000 | 脉冲能量/mJ | — | 1～30 | 100～150000 | 主要用途 | 用于碳素钢、不锈钢薄板（厚度小于3mm）的切割 | 陶瓷和铝合金薄板（约1mm）的精密切割 | 铜、铝合金板（厚度小于20mm）的精密切割 |
割炬
激光切割用割炬的结构见图4。主要由割炬体、聚焦透镜、反射镜和辅助气体喷嘴等组成。激光切割时，割炬必须满足下列要求：
① 割炬能够喷射出足够的气流；
② 割炬内气体的喷射方向必须和反射镜的光轴同轴；
③ 割炬的焦距能够方便调节；
④ 切割时，保证金属蒸气和切割金属的飞溅不会损伤反射镜；
割炬的移动是通过数控运动系统进行调节，割炬与工件间的相对移动有三种情况：
① 割炬不动，工件通过工作台运动，主要用于尺寸较小的工件；
② 工件不动，割炬移动；
③ 割炬和工作台同时运动。
（1）聚焦透镜
聚焦透镜用于把射入割炬的平行激光束进行聚焦，以获得较小的光斑和较高的功率密度。透镜经常采用能透过激光波长的材料制造。固体激光常用光学玻璃，而CO2气体激光因透不过普通玻璃，则采用ZnSe、GaAs和Ge等材料制造，其中最常用的是ZnSe。
透镜的形状有双凸形、平凸形和凹凸形三种。透镜的焦距对聚焦后光斑直径和焦点深度有很大影响。聚焦光斑直径do与透镜焦距f和入射激光束直径D之间的关系见图5。由图可见，当入射激光束直径D值一定时，存在一个最佳的透镜焦距f值使聚焦光斑直径do最小。
焦点深度fd与透镜焦距f的关系见图6。随着透镜焦距的减小，焦点深度也变小。
对于激光切割，希望聚焦光斑直径尽可能减小了。这样，功率密度就能提高，有利于实现高速切割。但透镜焦距减小时，焦点深度也较小，在切割厚度较大的板时难以获得垂直度好的切割面。另外，透镜焦距较小时，透镜与工件之间的距离也缩小，在切割过程中透镜易被溅沫等熔渣物质弄脏，影响切割的正常进行。因此，要求要根据切割厚度和切割质量要求等因素综合考虑，确定适当的焦距。
（2）反射镜
反射镜的功能是改变来自激光器的光束方向。对固体激光器发出的光束可使用由光学玻璃制造的反射镜，而对CO2气体激光切割装置中的反射镜常用铜或反射率高的金属制造。反射镜在使用过程中，为避免反射镜受光照过热而损坏，通常需用水进行冷却。
（3）喷嘴
喷嘴用于向切割区喷射辅助气体，其结构形状对切割效率和质量有一定影响。图7所示为激光切割常用的喷嘴形状，而喷孔的形状有圆柱形、锥形和缩放形等。喷嘴的选用一般根据切割工件的材质、厚度、辅助气体压力等再经试验后确定。
激光切割一般采用同轴（气流与光轴同心）喷嘴，若气流与光束不同轴，则在切割时易产生大量飞溅。喷嘴孔的孔壁应光滑，以保证气流的顺畅，避免因出现紊流而影响切口质量。为了保证切割过程的稳定性，一般应尽量减小喷嘴端面至工件表面的距离，常取0.5～2.0mm。
当用惰性气体切割某些金属时，为保护切口区金属不致因空气入侵（一般喷嘴在切割方向突然改变时常有空气卷入切割区）而发生氧化或氮化，则宜使用加保护罩的喷嘴。加玻璃绒保护罩的喷嘴结构见图8。
激光切割设备的技术参数
随着激光切割应用范围的日益扩大，为适应不同尺寸零件切割加工的需要，开发出许多具有不同特性和用途的切割设备。常用的主要有割炬驱动式切割设备、XY坐标切割台驱动式切割设备、割炬-切割台双驱动式切割设备、一体式切割设备和激光切割机器人等。
（1）割炬驱动式切割设备
割炬驱动式切割设备中，割炬安装在可移动式门架上并沿门架大梁横向（Y轴方向）运动，门架带动割炬沿X轴运动，工件固定在切割台上。由于激光器与割炬分离设置，在切割过程中，激光的传输特性、沿光束扫描方向的平行度和折光反射镜的稳定性都会受到影响。
割炬驱动式切割设备可以加工尺寸较大的零件，切割生产区占地相对较小，易与其他设备组成生产流水线，但是定位精度只有±0.04mm。
割炬驱动式切割设备的典型结构见图9。采用CO2气体连续激光，光束从激光器传送到割炬的距离为18mm。为了保持光束直径在这一传送距离内其形状的变化不妨碍切割加工的进行，振荡器反光镜的组合应仔细设计。
2）XY坐标切割台驱动式切割设备
XY坐标切割台驱动式切割设备，割炬固定在机架上，工件置于切割台上。切割台按数控指令沿X、Y方向运动，驱动速度一般为0～1m/min（可调）或者0～5m/min（可调）。由于割炬相对工件固定，在切割过程中对激光束的调准对中影响小，因此能进行均一且稳定的切割。当切割工作台尺寸较小、机械精度较高时，定位精度为±0.01mm，切割精度相当好，特别适合于小零件的精密切割。另外也有采用X轴方向行程2300～2400mm、Y轴方向行程1200～1300mm的切割工作台来加工较大尺寸的零件。
XY坐标切割台驱动式切割设备的主要技术参数如下：
激光器 CO2气体激光（半封闭直管式）
激光电源输入电压：200V AC
输出电压：0～30kV
最大输出电流：100mA
激光输出功率550W
切割台行程 X轴2300mm，Y轴1300mm
切割台驱动速度（分级可调） 0.4～5.0m/min，0.2～2.5m/min，0.1～1.3m/min,0.05
～0.6m/min
割炬高度（Z向）浮动行程180mm
加工板材的最大尺寸 6mm×1300mm×2300mm
控制设备数控方式
（3）割炬-切割台双驱动式切割设备
割炬-切割台驱动式切割设备介于割炬驱动式与XY坐标切割台驱动式之间。割炬安装在门架上并沿门架大梁作横向（Y向）运动，切割台沿纵向驱动，兼有切割精度高和节省生产场地的优点。定位精度为±0.01mm，切割速度调节范围为0～20m/min，是应用较多的一种切割设备。其中较大的切割设备Y轴方向行程为2000mm，X轴方向行程为6000mm，可切割大尺寸零件。
激光振荡器和割炬一起安装在门架上，切割精度相当好。切割圆孔精度和切割速度的关系见图10。
由图可见，采用割炬-切割台双驱动式切割设备切割圆孔的精度相当好。而且这种设备的生产效率也很高，在厚1mm钢板上，每分钟能切割直径为10mm的圆孔46个。
（4）一体式切割设备
一体式切割设备中，激光器安装在机架上并随机架纵向移动，而割炬同其驱动机构组成一体在机架大梁上横向移动，利用数控方式可进行各种成形零件的切割。为弥补割炬横向移动使光路长度变化，通常备有光路长度调整组建，能在切割区范围内获得均质的光束，保持切割面质量的同质性。
一体式切割设备一般采用大功率激光器，适用于中厚板（8～35mm）大尺寸钢结构件的切割加工。表5列出一体式激光器切割设备的加工能力。LMX型一体式激光切割设备的主要技术参数见表6。表5 一体式激光切割设备的加工能力
激光功率/kW | 1.4 | 2 | 3 | 6 | 有效切割范围/mm | 1830×7000 | 2440×36000 | 4200～36000 | 2600～36000 | 切割碳素钢最大厚度/mm | 9 | 16 | 19 | 40 |
表6 LMX型一体式激光切割设备的主要技术参数
型号 | LMX25 | LMX30 | LMX35 | LMX40 | 有效切割宽度/mm | 2600 | 3100 | 3600 | 4100 | 有效切割长度/mm | 可根据用户要求（标准6m） | 轨距/mm | 有效切割宽度+1700 | 轨道总长/mm | 有效切割宽度+4800 | 切割机高度/mm | 2200 | 割炬高度浮动行程/mm | 200 | 驱动方式 | 齿条和齿轮双侧驱动式 | 切割进给速度/mm·min-1 | 6～5000 | 快速进给速度/mm·min-1 | 24000 | 割炬上下移动速度/mm·min-1 | 1200 | 原点返回精度/mm | ±0.1 | 定位精度/mm | ±0.0001 | 激光器（CO2气体激光器） | TF3500（额定功率3kW）或TF2500（额定功率2kW） |
（5）激光切割机器人
激光切割机器人有CO2气体激光和YAG固体激光切割机器人。通常激光切割机器人既可进行切割又能用于焊接。
1）CO2激光切割机器人
L-1000型CO2激光切割机器人结构简图见图11。
L-1000型CO2激光切割机器人是极坐标式5轴控制机器人，配用C1000～C3000型激光器。光束经由设置在机器人手臂内的4个反射镜传送，聚焦后从喷嘴射出。反射镜用铜制造，表面经过反射处理，使光束传递损失不超过0.8%，而且焦点的位置精度相当好。为了防止反射镜受到污损，光路完全不与外界接触，同时还在光路内充入经过滤器过滤的洁净空气，并具有一定的压力，从而防止周围的灰尘进入。
L-1000型CO2激光切割机器人的主要技术参数见表7。表7 L-1000型CO2激光切割机器人的主要技术参数
项目 | 技 术 参 数 | 动作形态 | 极坐标式 | 控制轴数 | 5轴（θ、w、R、γ、β） | 设置状态 | 固定在地面或悬挂在门架上 | 工作范围 | θ轴/（°） | 200 | w轴/（°） | 60 | R轴/mm | 1200 | γ轴/（°） | 360 | β轴/（°） | 280 | 最大动作速度 | θ轴/（°）·s-1 | 90 | w轴/（°）·s-1 | 70 | R轴/mm·s-1 | 90 | γ轴/（°）·s- | 360 | β轴/（°）·s- | 360 | 手臂前段可携带质量/kg | 5 | 驱动方式 | 交流伺服电机伺服驱动 | 控制方式 | 数字伺服控制 | 位置重复精度/mm | ±0.5 | 激光反射镜数量 | 4 | 激光进入口直径/mm | 62 | 辅助气体管路系统 | 2套 | 光路清洁用空气管路系统 | 1套 | 激光反射镜冷却水系统 | 进、出水各1套 | 机械结构部分的质量/kg | 580 |
2）YAG固体激光切割机器人
日本研制的多关节型YAG激光切割机器人的结构见图12。
多关节型YAG激光切割机器人是用光纤维把激光器发出的光束直接传送到装在机器人手臂的割炬中，因此比CO2气体激光切割机器人更为灵活。这种机器人是由原来的焊接机器人改造而成的，采用示教方式，适用于三维板金属零件，如轿车车体模压件等的毛边修割、打孔和切割加工。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(3/7/2008) |
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