1.CO₂激光切割工艺

CO₂激光切割是用聚焦镜将CO₂激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束同轴的切割气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切口。CO₂激光切割机最适于切割厚度小于12mm的低碳钢、小于6mm的不锈钢、小于4mm的铝板。

加工不锈钢、铝合金时，切口光洁、表面无氧化、尖角良好。国内外金属材料激光切割机大量采用3000～7000W轴快流CO₂激光器，其原因是运行成本低，加工种类多，切割速度快。

（1）切割穿孔技术 在形状切割中，从切割开始点进入切割时通常需开孔（穿孔加工）。早先在激光冲压复合机上是用冲头先冲出一孔，然后再用激光从小孔处开始进行切割。对于没有冲压装置的激光切割机有两种穿孔的基本方法。

1）爆破穿孔，也称为连续发振方式。材料经连续激光的照射后在中心形成一凹坑，然后由与激光束同轴的氧流很快将熔融材料去除形成孔。一般孔的大小与板厚有关，爆破穿孔平均直径为板厚的一半，因此对较厚的板爆破穿孔孔径较大，且不圆，不宜在要求较高的零件上使用。此外由于穿孔所用的氧气压力与切割时的压力相同，飞溅较大。选用连续发振方式穿孔时，孔径变大的原因是，切割材料上部的孔周围堆积着高温的飞溅物，与辅助气体（氧气）发生过剩燃烧。为了防止过剩燃烧，可在辅助气体（氧气）中混入惰性气体。且为使熔化金属顺利排出，在穿孔时可移动激光的照射位置。要使连续发振穿孔方式时间较短、孔形优质，可在辅助气体（氧气）中混入空气，且激光进行圆周运动。

2）脉冲穿孔，也称为脉冲发振方式。采用峰值功率的脉冲激光使少量材料熔化或汽化，用空气或氮气作为辅助气体，以减少因放热氧化使孔扩展，气体压力较切割时的氧气压力小。每个脉冲激光只产生小的微粒喷射，逐步深入，因此厚板穿孔时间需要几秒钟。一旦穿孔完成，立即将辅助气体换成氧气进行切割。这样穿孔直径较小，其穿孔品质优于爆破穿孔。为此所使用的激光器不但应具有较高的输出功率；更重要的是光束的时间和空间特性，因此一般横流CO₂激光器不能适应激光切割的要求。此外脉冲穿孔还需要有较可靠的气路控制系统，以实现气体种类、气体压力的切换及穿孔时间的控制。

在采用脉冲穿孔的情况下，为了获得优质的切口，从工件静止时的脉冲穿孔到工件等速连续切割的过渡技术应予以重视。从理论上讲通常可改变加速段的切割条件：如焦距、喷嘴位置、气体压力等，但实际上由于时间太短改变以上条件的可能性不大。在板材加工中主要采用改变激光平均功率的办法比较现实，具体方法有以下三种：改变脉冲宽度；改变脉冲频率；同时改变脉冲宽度和频率。实际结果表明，同时改变脉冲宽度和频率的效果最好。

在中、厚板切割中，一般采用脉冲发振方式。但脉冲发振方式随着板厚的增加，穿孔时间也增长。

（2）CO₂激光切割的工艺参数 激光切割是一个非常复杂的热物理过程，受众多因素的影响。其中一些影响因素在实际激光切割生产中是预先确定的，如激光器整机的性能、光束质量、被加工对象的材质和厚度等；而另一些基本工艺参数，如激光功率、切割速度、辅助气体气压、气体流量、切割嘴与工件间的距离、焦距和离焦量等，则存在一个可切割参数的调节范围，不同的参数搭配将显著影响切割质量。在这些参数中，激光功率和切割速度是一对互相关联、约束的参数，既易于调节，又是影响切割质量的主要因素。在正常的切割条件下，聚焦后的光斑直径影响着切口宽度，调节离焦量即可得到最小的光斑直径，且离焦量一旦调定后就不需要再经常调整。当工件厚度较薄时，焦点位于工件表面，即离焦量为0；当厚度大于2mm时，焦点位于工件上表面向下1/3处，则可确保切口宽度接近于光斑直径。

激光功率决定照射到被加工件的能量，对切割有直接的影响，功率较大，相对应的切割速度较大，可切割的最大厚度也较大，在功率相同的情况下，激光模式低，切割速度大，切口质量好，这是由于模式较低的激光能量比较集中。在激光切割中，辅助气体氧气的主要作用是在光作用的地方，发生氧化反应，这不仅可以提高工件对激光能的吸收，还可以产生反应热，提高切断速度。另外氧气可以吹去金属蒸气，减少蒸气对光能的吸收，并可以保护透镜不被污染。适当增加氧气的流量，可以提高切割速度及切口质量。喷嘴的设计必须保证辅助气体既有一定的流量，又有一定的流速。选择适当的偏振光及光照时间（切割速度），可以提高切口质量。

选择合适的激光器，根据不同的材料特性设定合适的参数、优化切割工艺，可获得满意的切割效果。对于不同的材料，由于自身的热物理性能与激光束能量的吸收率不同，表现出不同的激光切割适应性，并且对辅助气体的要求也不尽相同。一般情况下，材料厚度与所要求的激光功率成正比，与加工速度成反比。不同的材料、不同的厚度，其激光器功率的选择、辅助气体及工作压力以及聚焦点位置选择也是不相同的。只有综合考虑被加工材料的性能，合理选择相关的切割参数，才能达到优化的切割加工。

影响切割质量的主要参数如下：

1）光斑模式。激光切割要求切口越窄越好，这就需要激光束具有良好的聚焦性能，能聚集成极小的光斑，它与激光的模式和发散角密切相关。

大功率横流CO₂激光发生器通常采用稳腔结构，当腔的菲涅耳数大于1时，输出的激光束可用拉盖尔-高斯光束进行近似描述。表6-17为各种激光模式镜片上的光斑半径。

表6-17 各种激光模式镜片上的光斑半径

可见，基模TEM₀₀聚焦的光斑最小，随着横模阶数的增加，其光斑相应增大，即激光模式越高，光斑半径越大。若在激光腔内设置光阑，抑制高阶模，限制高阶模振荡，可获得低阶模甚至单模输出，激光束质量将得到明显的改善。因而，激光光斑模式决定了激光束的质量，它对激光切割能力、切口大小及切口粗糙度等均有极大影响。在二维切割时，光斑模式最好采用基模，其光斑半径和发散角均较小，有利于提高切割精度和切割质量。

采用多模TEM₂₁光束切割时，其切幅要比用基模光束切割时增大2倍以上。且切幅随着功率的增加和切割速度的降低而增大。

2）镜头尺寸和焦点位置。在其他条件相同的情况下，聚焦光斑直径越小、功率密度越大。激光切割的优点之一是光束的能量密度高，光斑直径小，以便产生窄的切口。热影响区越小、切口越窄、切割质量越好。同时光斑直径还和透镜的焦深成正比，焦深越小，光斑直径就越小。但切割有飞溅，透镜离工件太近容易被损坏，因此一般大功率CO₂激光切割工业应用中广泛采用127～190mm的焦距，实际焦点光斑直径在0.1～0.4mm之间。对于高质量的切割，有效焦深还和透镜直径及被切材料有关。例如用127mm的透镜切割碳钢，焦深为焦距的±2%，即5mm左右。因此控制焦点相对于被切材料表面的位置十分重要。考虑到切割质量、切割速度等因素，原则上厚度小于6mm的金属材料，焦点在表面上，离焦量为0；厚度大于6mm的碳钢，焦点在表面之上为正离焦；厚度大于6mm的不锈钢，焦点在表面之下为负离焦。通常切割厚度为4mm以下的材料时，选用焦距为127mm左右的镜头。

激光焦点的功率密度值与激光的输出功率成正比，而与透镜焦距平方成反比。因此在聚焦系统设计中，焦距的设计很重要。在切割金属时，透镜焦距要小，一般选用f为50～100mm的焦距，这时光斑尺寸小，功率密度大。对于切割非金属材料，这些材料一般都比较厚，宜采用长焦距，其焦深也较长，一般选用f为200～300mm的焦距，以保证切割质量。

由于激光功率密度对切割速度的影响很大，光束经聚焦后光斑尺寸很小，焦点处功率温度很高，对材料切割有利。切割时焦点位置刚处在工件表面，或略微在表面下一点，切割效果最佳。切割低碳钢时一般把聚焦的光斑设在工件的表面，这样可提高切口前沿的温度，从而获得较高的切割速度。在切割厚板时，要采用焦点深度大的光束，切割薄板时宜采取小的焦点深度。在切割过程中，确保焦点与工件相对位置恒定是获得稳定切割质量的重要条件。有时，透镜工作中因冷却不好而受热，会引起焦长变化，这就需要及时调整焦点位置。当焦点处于最佳位置时，切口最小，效率最高，可获得最佳的切割速度与切割效果。在大多数情况下，焦点位置调整到刚处于喷嘴下，喷嘴与工件表面间距一般为1.5mm左右，切割效果最佳。

在板材切割中确定焦点位置的简便方法有三种：

①打印法：使切割头从上往下运动，在塑料板上进行激光束打印，打印直径最小处为焦点。

②斜板法：用和垂直轴成一角度斜放的塑料板使其水平拉动，寻找激光束的最小处为焦点。

③蓝色火花法：去掉喷嘴，吹空气，将脉冲激光打在不锈钢板上，使切割头从上往下运动，直至蓝色火花最大处为焦点。

3）激光切割功率。激光切割功率大小对切割厚度、切割速度、切口宽度和质量等都有很大影响。一般来说，激光切割功率越大，所能切割的板厚越大，切割速度也可增大。然而，随着激光切割功率的增加，切口宽度随之略有增加。表6-18为给定功率的CO₂激光器所能切割不同材料的实用最大切割厚度。通常，激光切割功率是根据加工板材厚度和要求的切割速度确定。

4）切割速度。对连续输出的激光器来说，激光切割功率大小和模式的好坏都会对切割质量的好坏产生重要影响。在实际操作中，常常设置最大功率以获得高的切割速度，或用以切割较厚的材料。激光切割功率越大，切割的材料厚度越厚，切割速度也越快。材料的切割速度与激光切割功率密度成正比，即增加功率可提高切割速度。在相同的激光切割功率下，切割速度与材料的厚度成反比。若切割速度过快，则切口下缘乃至切割面上会黏渣，甚至割不透工件；速度过慢，则效率低下，切割面不光滑，切口下缘黏渣。实际使用中在不影响切割质量的前提下，应尽可能以相对较高的速度进行切割。

当激光切割功率和辅助气体压力一定时，切割速度与切口宽度保持一种非线性反比关系。当切割速度升高时，则切口宽度减小；若切割速度降低时，切口宽度将会增大。切割速度与切口的表面粗糙度呈现一种抛物线关系，随着切割速度的降低，表面粗糙度值迅速增加；随着切割速度的增加，表面粗糙度值减小，表面质量得到改善，当切割速度超过某一最佳值后随切割速度增大，表面质量改善较为缓慢；当激光切割速度增加到某值后，将切不透材料。切口的表面粗糙度Ra与工件厚度δ、焦点位置、切割速度等因素有关，一般可用下式估算，Ra=0.01δmm。(www.daowen.com)

5）切割气体。通常情况下，材料切割都需要使用辅助气体，由于金属表面的激光反射率高达95%，使激光能量不能有效地射入金属表面，通过喷吹辅助气体可提高材料对激光的吸收率。辅助气体与激光束同轴喷出，以保护透镜免受污染，并吹走切割熔渣。常用的辅助气体有压缩空气、氮气、氧气、氩气等。对非金属材料和部分金属材料，使用压缩空气或惰性气体。用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体（氩、氦、氮等），并依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。在一定的压力范围内，增加辅助气体的压力，可增大切割厚度，提高切割效率。主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，其切割速度越快，切口越易形成波纹状，切割质量越差。对大多数金属激光切割则使用氧气助燃，该切割法以激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体，喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热，可提高切割速度30%以上。另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，清除熔渣，在金属中形成切口，抑制切割区域过度燃烧。氧助燃切割速度越快，热穿透越小，切割质量越好。当激光功率和切割速度一定时，氧气压力大，氧气流量大，则氧化反应速度加快，氧化发热量大，使切口变宽，切口条纹深而粗，切割断面粗糙度恶化；当氧气压力减小时，氧气流量降低，则氧化速度减小，切口变窄，切口断面粗糙度会改善。当氧气压力降低到某一数值时，切口材料将不完全氧化，切口下表面黏附有较多的熔融物，被切割材料甚至不能被切透。

空气可以由空气压缩机直接提供，所以它的价格非常便宜。由于空气中含有氧气，所以切割面会出现微量的氧化膜。但由于空气中含有水分和油粒，会对透镜造成污染，所以应配备油水分离器。氩气为惰性气体，在切割中用于防止氧化和氮化，一般用于切割钛和钛合金。与其他气体相比，价格较高，增加了加工成本。

表6-18 给定功率的CO₂激光器所能切割不同材料的实用最大切割厚度

切割低碳钢一般用氧气作辅助气体，切割不锈钢、铝及铝合金时用氮气作辅助气体，可获得高的切割速度和好的切割质量。

确定合适的辅助气体压力也是一个非常重要的因素。当高速切割薄型材料时，需要较高的气体压力，以防止切口背面黏渣。当材料厚度增加或切割速度较慢时，气体压力须适当降低。需要注意的是有时压力过大，切割面反而会变粗。

6）喷嘴至工件表面的距离。喷嘴与工件表面的高度也非常重要。喷嘴太靠近板材，会对透镜产生强烈的反弹压力，且易受到污染，对切割质量有不利影响；但距离过远，喷出的辅助气流易产生波动，则气流高压心部难以到达工件表面，吹出能力太差，且造成不必要的能量损失，影响切割质量和速度。因此，在激光切割时，一般都尽量减小喷嘴高度，通常为0.5～2mm。高端的激光切割机一般都选用进口的电容式切割头，其原理如图6-64所示。调频式电容传感器测量电路如图6-65所示，可在一定范围内按设定值自动调节喷嘴高度，确保在加工过程中激光焦点与被加工板面的最佳相互位置关系，具有一定的防撞功能。

图6-64 电容传感器的工作原理

1—喷嘴传感器 2—引线 3—检测电路 4—传输电缆

图6-65 调频式电容传感器测量电路图

7）其他参数。除了上述影响激光切割质量的因素之外，还有很多因素影响着激光切割板材的质量，简述如下：

①数控编程。在需要对某一金属板材进行激光切割时，先用工艺编程软件进行数控编程，同时完成材料的下料尺寸计算、排样、工艺参数设定。

②板材表面状态。对于不同的材料，由于自身的热物理性能及对激光的吸收率不同。CO₂激光器的激光波长为10.6μm，非金属材料对它的吸收较好，具有较高的吸收率，而金属材料则对10.6μm光束吸收较差。吸收率越高，越有利于切割。对铜和铝板的切割，需要加装特殊的防反射装置，且激光功率较大，一般要在2500W以上。

材料的表面状态直接影响对光束的吸收，尤其是表面粗糙度和表面氧化层会造成表面吸收率的明显变化。在激光切割实践中，有时会在铝板表面涂上吸收材料层，可明显提高切割速度。

（3）外光路系统的影响 外光路系统的光学元件应定期检查、及时调整，确保光路稳定，防止出现偏置，以获得良好的切割质量。激光器在长时间的使用过程中，有时镜片会受到污染，功率下降，可在擦镜纸上滴几滴分析纯丙酮轻轻地擦拭镜片表面，反复几次，直至镜片表面清洁、没有污垢和残存痕迹，注意不能用手指压镜片，以免损伤镜片。如镜片上已有擦拭不掉的斑点，说明镜片已损伤，须重换。

（4）光程 光程指激光束从激光器出发到板材加工面所走过的路程。光程的增加会使激光束的波前曲率发生变化，进而影响焦点的位置。特别是在对不锈钢进行无氧化物切割时，必须精确调整激光束的焦点，以获得较为稳定的切割质量。激光束焦点的调整，可借助于一套伺服辅助透镜完成。但在高压切割时，透镜会产生巨大能量，因而最好采用自适应光学系统来完成这一工作。在自适应光学系统中，反射镜的曲率半径可借助压电功率计或冷却水压计进行修正。一个几十分之一微米的微小镜面变形，可使焦点位置偏移几个毫米。自适应光学系统可将焦点精确定位于所需的位置，反射面的失真可小于0.1mm。采用易变形的球面镜时，加工中必须尽可能保持垂直的入射角，以防止像散而影响聚焦。装有自适应光学系统的激光切割机，能够处理长距离移动加工，并能保证在整个加工区域内进行稳定的高质量激光切割。

表6-19为低功率CO₂激光对各种金属材料的切割参数。表6-20为2～20kW大功率CO₂激光对各种金属材料的切割参数。表6-21为国内200～500WCO₂激光对各种金属材料的切割参数。表6-22为利用激光切割法切割某些材料的数据，供参考。

表6-19 各种金属材料的激光气体切割参数

表6-20 大功率CO₂激光对各种金属材料的切割参数

表6-21 国内200～500WCO₂激光对各种金属材料的切割参数

表6-22 利用激光切割法切割某些材料的数据