（机械工程专业论文）lr型地轨式数控激光切割机.pdf

原创性声明 i i i i i i i i i | i i i l i l l l i l i l l | | | i l | l l i i j y 17 91918 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研 成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 l 论文作者签名：矗望丝 日期：2 堡堡丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝作者虢坪聊签一期：础幻 嘲 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i i 第1 章绪论。1 1 1 课题研究背景1 1 2 课题目标2 第2 章激光切割技术的概述5 2 1 激光技术5 2 1 1 激光产生的机理一5 2 1 2激光器的基本组成5 2 1 - 3激光的特点8 2 1 4激光加工中普遍涉及的激光输出参数9 2 2 激光切割机理1 0 2 2 1 激光切割时切口的形成1 0 2 2 2典型的激光切割机的构成1 2 2 2 3激光切割的分类1 3 2 2 4激光加工的安全标准1 4 2 2 5激光产品的安全分类1 5 2 2 6来自激光切割过程中的危险15 2 3 本章小结一1 7 第3 章切割机的设计1 9 3 1 机床设计要求1 9 3 2 激光发生器的选用2 1 3 3 光路传输的探讨：2 2 3 4 切割机主机的设计2 4 3 4 1 机床的组成2 4 山东大学硕二l 学位论文 3 4 2气路、水路3 6 3 4 3使用环境要求3 7 3 5 本章小结3 8 第4 章电气部分3 9 4 1 操作面板3 9 4 2 功能键4 0 4 3 操作顺序4 0 4 4 本章小结一4 2 第5 章机床的安装4 3 5 1 吊装及就位4 3 5 2 机械调整及固定4 3 5 3 光路的调整4 4 5 4影响激光切割的主要因素4 7 5 5 z 轴焦点的调整4 8 5 6光束与切割气体同轴的调整4 8 5 7 润滑系统与喷油灭弧装置4 9 5 8 程序的传输一5 0 5 9 限位51 5 10 本章小结51 第6 章日常维护及注意事项5 3 6 1机床部分的日常维护工作5 3 6 2 镜片清洁保养注意事项5 3 6 3 镜片清洁保养步骤5 4 总结与展望5 5 参考文献5 7 致谢6 l i l 摘要 摘要 激光加工技术是融合了光、机、电、材料加工及检测等多学科 的复合型先进制造技术。激光被誉为“万能加工工具 、未来制造 系统的共同加工手段，激光应用项目正在不断扩大。 研制大行程大功率激光切割机以及高效率、高精度、多功能和 高适应性的数控激光切割机，满足国内主要行业对高档激光加工设 备的需求，一方面可以推动我国激光切割技术的发展，同时还可以 带动我国装备制造业和相关产业的发展，提高国际竞争力。 本文首先通过分析国内外激光技术发展现状比较、激光应用为 激光技术研发展望前景。 其次通过分析激光切割技术机理、激光切割参数的选用，确定 了激光切割机设计必要性和设计要求。 最后，基于大行程大功率切割需要从机床设计要求、激光发生 器的选用、光路传输要求、主机有限元设计、数控电气控制等方面 介绍了l r 型地轨式数控激光切割机。以及整机产品安装注意事 项、日常维护保养等。 研发的产品进行调试使用，能够满足用户需要，实现激光切割 大行程、高功率、高精度等切割。 关键词：激光切割；大行程；高效率；数控 a b s 下r a c t l a s e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi st h ec o m b i n a t i o no fl i 拙m e c h a n i c a l ，d e c t r i c a l , m a t e r i a lp r o c e s s i n g , a n dd e t e c t i o no fc o m p l e xm u l t i - d i s c i p l i n a r ya n da d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y l a s e rk n o w n a st h e ”u n i v e r s a lp r o c e s s i n gt o o l , ”ac o m m o n f u t u r em a n u f 蛐s y s t e m p r o c e s s i n gm e a n s ，l a s e ra p p l i c a t i o np r o j e c ti se x p a n d i n g d e v e l o p m e n to fl a r g es t r o k ea n dh i g h - p o w e rl a s e rc u t t i n gm a c h i n eh i g h - e f f i c i e n c y , h i g hp r e c i s i o n , m u l t i f u n c t i o n a la n dh i i g ha d 删l 毋o f c n cl a s e rc u t t i n gm a c h i n et o m e e tt h em a j o rd o m e s t i ci n d u s t r yd e m a n df o rb a r , h - e n dl a s e rp r o c e s s i n ge q u i p m e n t , o i l t h eo n eh a n dc a np r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fo u rl a s e rc u t t h a gt e c h n o l o g y , t h e e q u i p m e n ta l s oc a np r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f m a n u f a c t u r i n ga n d r e l a t e di n d u s t r i e s ，t o i m p r o v ei n t e m a t i o n a lc o m p e t i t i v e n e s s f i r s t l y , b ya 1 1 a l y z i i 唱t h es t a t u so fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lc o m p a r i s o no f l a s e r t e c h n o l o g y , l a s e ra p p l i c a t i o n si nl a s e rt e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ff u t r r e s c e n a r i o s s e c o n d , b ya n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo fl a s e rc u t t i n g ，l a s e rc u t t i n gp a r a m e t e r s s e l e c t i o n , al a s e rc u t t i n gm a c h i n ei sd e s i g n e dt od e t e r m i n et h en e c e s s i t ya n dd e s i g n r e q u i r e m e n t s f i n a l l y , b a s e do nc u t t i n gp o w e rn e e d so fl a r g et r a v e lr e q u i r e m e n t sf r o mt h e m a c h i n et o o ld e s i g n , s e l e 出o no fl a s e rg e n e r a t o r , o p t i c a l 仃a n 锄i s s i o nr e q u e s t , t h eh o s t f e m ，c n ce l e c t r i c c o n t r o li n t r o d u c e st h el rm o d e lt ot r a c kc n cl a s e rc u t t i n g m a c h i n e a n dt h ew h o l ep r o d u c ti n s t a l l a t i o nn o t e s ，a n do t h e rr o u t i n em a i n t e n a n c e r & a m p ；dp r o d u c t sh a v et ob e ad e b u g g e rt ou s e ，c a nm e e tu s e rn e e d s ，t oa c h i e v e l a s e rc u t t i n g l a r g es t r o k e , h i g hp o w e r , h i g hp r e c i s i o nc u t t i n g k e yw o r d s ：l a s e rc u t t i n g ；e f f i c i e n c y ；l a r g es t r o k e s ；n c i i i 第l 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙炔 火焰切割；对于薄板采用剪床下料，成形复杂零件大批量的采用冲压，单件的采 用振动剪。七十年代后，为了改善和提高火焰切割的切口质量，又推广了氧乙烷 精密火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期，又发展了数控 步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其缺点，在工业生产中有一定的适用 范围。从二十世纪七十年代以来随着激光器及数控技术的不断完善和发展，目前 已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法【。 激光切割是用聚焦镜将激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束 同轴的压缩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缝。激光切割是一种高能量密度可控性好的无接触加工。它 将激光束聚焦成最小直径可小于0 i m _ m 的光点，使焦点处的功率密度可超过 1 0 7 w - - - 1 0 8 w e r a2 ，被照射的材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成小孔。 随 着光束与材料相对线性移动，使小孔连续形成宽度约o 1 m m 的切缝。切割时还 加与被切材料相适应的辅助性气体，以加速材料的熔化、吹走熔渣或保护切缝不 被氧化。激光切割与常规加工方法相比，同样具有明显的优势。在热切割方法 中，氧可燃烧( 如乙炔) 切割和等离子切割都不能像激光束那样集中能量于一个 极小区域，结果导致切口宽、热影响区大和较明显的工件变形。氧可燃烧切割设 备小、投资少，可切割厚达l m 的钢板，是很灵活的切割工具，主要用来切割低 碳钢。但是由于它热影响区大、切割速度低，切口呈现严重的锯齿状和波折状。 因此，它很少被选用于切割2 0 m m 以下厚度且要求尺寸精确的材料。等离子切 割与激光切割速度相仿，明显高于乙炔火焰切割。但其切割能量较低，切边顶部 呈圆头状，切边明显起波形。在操作中，还要防止由电弧产生的紫外线辐射对操 作者带来的伤害。与激光切割相比，等离子切割略胜一筹之处在于：它较适合切 割较厚钢板和对光束反射率高的铝合金等。但是，激光能切割非金属，而其他热 切割方法则不能。在机械冲压加工方式中，采用模冲方法生产大批量零件，具有 山东大学硕i 二学位论文 零件成本低、生产周期短的优势，但这种方法对设计上的变化较难适应，设备专 用、制造周期长、造价高。对中小规模的企业来说，激光切割的特长就会充分显 示。激光切割便于工件紧密编排套裁，比起每个工件周围需预留较多材料余量的 模冲更节约材料。对于需要分段冲切的大而复杂的零件，就需要用冲床冲切，导 致切边呈许多小贝壳状刃口，产生大量边角余料。对于薄金属采用锯切方式，其 切割速度比激光切割慢很多。而且，激光作为一种灵活的无接触、仿形切割工 具，可以从材料任何一点开始向任何方向切割，这一点对锯切来说，是望洋兴叹 的。采用电火花或线切割等方法用于坚硬材料的精细加工，虽然切口较平整，但 切割速度要比激光切割慢几个数量级。水切割虽然可以切割许多非金属材料，但 运行费用较高。激光切割具有很多无可比拟的优势：切割速度快，生产效率高； 切割质量好、切缝窄；材料适应性好，无刀具磨损；不管是简单还是复杂零件， 都可以用激光一次精密快速成形切割；自动化程度高、操作简单、劳动强度低， 没有污染；生产成本低，经济效益好【2 】。 激光加工技术融合了光、机、电、材料加工及检测等多学科的复合型先进 制造技术。激光应用项目正在不断扩大，激光被誉为“万能加工工具”、未来制 造系统的共同加工手段。先进工业国的企业由于广泛应用激光加工技术，其生产 技术正发生质的变化。许多金属材料，不管它有什么样的硬度，都可以用激光进 行无变形的切割。大多数有机与无机材料都可以用激光切割。常用的工程材料 中，除铜材外，包括碳钢、不锈钢、合金钢、铝及铝合金、钛及钛合金以及大多 数镍合金等都可以实施激光切割。集成了激光加工技术与现代数控技术的高效 自动化加工设备，可以突破许多传统制造方法无法实现的技术瓶颈，在航空航 天、船舶、汽车制造、发电设备制造、钢铁冶金、工程机械、电子电气等国民经 济支柱产业领域发挥了不可替代的作用。 1 2 课题目标 激光切割是激光加工技术中最重要的一项应用技术，近年来，激光切割正 向着大功率、三维切割、无人化和自动化方向发展。国际上激光切割机床以每年 2 0 3 0 的速度增长，我国自1 9 8 5 年以来更以每年2 5 以上的速度增长。由于 我国激光工业基础较薄弱，激光切割机床在制造水平、软件水平、功能部件、厚 板切割、有色金属切割、三维精密切割等诸多方面与国际一流产品还有相当差 距，其主要关键技术受制于人，因此必须研究中、大功率厚板数控激光切割机的 2 第1 章绪论 主要关键技术，取得自主知识产权，赶超国际先进水平，以满足国防军工、船舶 等行业金属厚板、大工作面板，航天航空钛合金、铝合金等特种材料，汽车和航 空等工业工件切割的需要。由于国内汽车、石油、纺织机械、农田机械、机动车 辆、航空航天等大型企业的技术改造力度加大，军工企业投入加大，以及钣金、 电器、电梯等中小企业的规模和产品升级加快，使中国切割机应用市场进入了一 个快速增长期【3 】。 针对航空航天、船舶、汽车和发电设备制造等领域对大面积厚板以及有色 金属材料切割的需求，来研究大功率光束传输技术、厚板切割技术、激光专用数 控系统、穿孔与切割实时监控系统等关键技术，研制具有国际先进水平的大行程 激光切割机。 通过本课题的实施，掌握厚板、有色金属、大行程工件切割机床的核心技 术，取得自主知识产权，为我国装备制造业提供先进的工艺设备。 研制大行程大功率激光切割机以及高效率、高精度、多功能和高适应性的 数控激光切割机，满足国内主要行业对高档激光加工设备的需求，一方面可以推 动我国激光切割技术的发展，同时还可以带动我国装备制造业和相关产业的发 展，提高国际竞争力。 第2 章激光切割技术的概述 第2 章激光切割技术的概述 2 1激光技术 2 1 1 激光产生的机理： 激光是通过光与物质相互作用，尤其是作用过程中的受激辐射而产生的。 1 9 1 7 年，爱恩斯坦首先提出手机辐射的概念，他从量子论的观点出发提出，在 辐射与物质相互作用的过程中包含以下三个过程：离子的自发辐射跃迁、受激 辐射跃迁和受激吸收跃迁。 自发辐射跃迁是在没有任何外界激励的作用下，处于高能级e 2 的粒子将自 发地跃迁到低能级e l ，同时辐射频率丫的光子，并满足e 2 - e i = h t ；当粒子系统 受到外来的能量为l r y 的光子作用( 激励) 下，并且满足e 2 e l = h 吖，则处于低能 级e l 上的粒子由于吸收一个能量为l r y 的光子而受到激发，跃迁到高能级e 2 上 去，该过程称为物质的受激吸收。受激吸收过程将会消耗入射光的能量。受激 辐射与受激吸收的过程正好相反，当粒子受到外来的能量为e 2 - e l = h ? 的光子作 用( 激励) 时，处在高能级e 2 上的粒子在能量为研的光子诱发下，而从高能 级e 2 跃迁到低能级e l ，并且发射一个与外来光子一模一样的光子，这种过程叫 受激辐射。由此可以看出，受激辐射对入射光具有放大作用。通过受激辐射， 可以诱发与入射光子一模一样的光子，可以实现同态光子数放大，从而得到光 子兼并度极高的相干光。激光器产生激光，正是利用受激辐射的上述特点，所 以激光具有方向性好、单色好、相干性好和高亮度的特点m 。 一个常规的激光器包括三部分：工作物质、泵浦源和光学谐振腔 ( 1 ) 工作物质 工作物质是产生激光的物质基础，是激光器的核心部分，是用来实现粒子 数反转并产生受激辐射的物质体系。工作物质的分类方式通常有两种：一种是 根据工作物质的存在形态分类，工作物质可以是气体、固体、液体及半导体； 5 山东大学硕士学位论文 另一种是根据速率方程理论分析产生激光的过程时所适用的能级结构，可以分 为三能级系统、四能级系统等。在气体激光器中产生激光的粒子为气体分子或 原子，如h e - n e 激光器中h e 、n e 混合气体为工作物质，n e 原子为工作粒子， 即粒子数反转发生在n e 原子的某一对或几对能级间，h e 气为辅助气体，用以 提高n e 原子的泵浦速率。c 0 2 激光器是以c 0 2 、n e 和h e 等组成的混合气体 为工作物质，激光跃迁发生在c 0 2 分子的两个能级间，其他成分起促进c 0 2 分 子的两能级间形成粒子数反转或降低工作物质温度等作用。在固体激光器中， 掺有少量过渡金属离子或稀土离子的晶体或玻璃为工作物质，掺杂粒子为工作 粒子，经外界能量泵浦产生粒子数反转后可产生受激辐射。液体激光器其工作 物质的存在形态为液体，常见的有染料激光器，其工作物质为染料溶解于溶剂 中组成的溶液，染料分子为工作粒子，溶剂相当于基质。半导体激光器的工作 物质为半导体，虽然半导体为固体，但是由于半导体激光器粒子数反转的形成 机理与普通固体激光器有本质的不同，所以一般不将二者归为一类。正常情况 下，在半导体中电子总是先填充低能态的价带，填满价带后再填充导带，如果 利用光或电注入的方式，使p o n 结附近形成大量的非平衡载流子，在比其复合 寿命更短的时间内，电子在导带、空穴在价带分别达到暂时平衡，则在这一段 时间内，简并化分布的导带电子和价带空穴就处于相对反转分布的状态，从而 形成半导体中的粒子数反转；除此之外，自由电子激光器中，相对论电子束为 工作物质。在化学激光器中，工作物质可以是参加化学反应的成分，也可以是 化学反应后生成的成分。 ( 2 ) 泵浦源 泵浦源( 激励源) 是为实现粒子数反转提供能量的装置。根据激励时利用 的能量形式，泵浦方式有放电激励、光激励、热能激励、化学激励和核能激励 等 气体放电激励是气体激光器常用的一种激励方式，其激励机理是利用在高 电压下，气体分子电离导电，与此同时气体分子( 或原子、离子) 与被电场加 速的电子碰撞，吸收电子能量后跃迁到高能级，形成粒子数反转；除此之外， 还可以利用电子枪产生的高速电子去泵浦工作物质，使之跃迁到高能级称为电 子束激励；半导体激光器靠注入电流实现泵浦，称为注入式泵浦。 光激励是利用光照射工作物质，工作物质吸收光能后，产生粒子数反转光 激励的光源可采用高效率高强度的发光灯、太阳能或激光。固体激光器和液体 6 第2 章激光切割技术的概述 激光器常用光激励方式。激励源为发光灯时，工作物质只对光源光谱区内某些 谱线或谱带有较强的吸收，因此为了提高泵浦速率，可利用与工作物质吸收谱 对应的激光作为激励源。另外，在太空中工作的激光器，可利用太阳能作为激 励源，从而减少从地面携带能源的麻烦。 热能激励是用高温加热的方式使高能级上气体粒子数增多，然后突然降低 气体温度，因高低能级热弛豫时间不同，低能级弛豫时间短，高能级弛豫时间 长，从而实现高低能级粒子数反转。气动c 0 2 激光器为热激发的典型例子。 化学能激励利用化学反应过程中释放的化学能将粒子泵浦到上能级，实现 粒子数反转。 核能激励是利用核反应过程中产生的核能激励工作物质，实现粒子数反 转，比如可用核能激励c 0 2 激光器，效率可达5 0 * , 4 。 ( 3 ) 光学谐振腔 光学谐振腔( 简称光腔) 是产生激光的外在条件，是激光器重要组成部 分。最简单的光学谐振腔是在激活介质两端恰当放置两个镀有高反射率的反射 镜构成。激光之所以具有方向性、单色性、相干性和高亮度的特点，是与光学 谐振腔密不可分的。光学谐振腔具有正反馈和选模双重作用。所谓正反馈，即 初始光强i o 在反射镜间往返传播，等效于增加激活介质的长度，最终可保证得 到一个确定大小的光强i m 。所谓选模，即控制腔内光束的特性，使腔内建立的 振荡被限制在腔所决定的少数本征模式中，从而提高单个模式内的光子数，获 得单色性好、方向性好的强相干光阴。 光学谐振腔与输出激光模式的联系 激光模式分为纵模和横模。纵模为输出激光束在沿光束传播方向的能量空 间分布，横模为输出激光束在垂直于光束传播方向的能量空间分布，即光束横 截面内的能量空间分布。无论纵模还是横模，都与光学谐振腔息息相关。 激光是一种电磁波。激光器的光学谐振腔将该电磁波约束在空间的有限范 围内，根据m a 矾，e l l 电磁场理论，在一定的空间范围内只能存在一系列分裂 的电磁波的本征态，这些本征态为光学谐振腔的模式，激光模式也就是光腔内 可以区分的电磁波本征态，由腔的结构决定。 激光纵模应满足谐振条件：光波在腔内沿轴线方向传播时，在腔内往返一 周再回到原来位置时，应该与初始出发电磁波同相，即相差a o 为2j i 的整数 倍：a o = 2 r lq ， 式中q 是正整数，通常用它来表征腔的纵模。由此可看出， 7 山东大学硕七学位论文 只有某些特定频率的光才能满足谐振条件，才有可能稳定存在于光腔内四j 。 激光横模实际上是谐振腔所允许的( 也就是在腔内来回反射，能保持稳定 不变的) 光场的各种横向分布稳定。光电磁场在谐振腔内往返传播时，腔镜对 光有衍射作用，且这种衍射主要发生在镜边缘处，因此经多次衍射后，腔镜边 缘的振幅相对于镜面中部很小，这种光场分布受衍射影响已经很小。可以预 期，经过足够多次往返后，谐振腔内光场的横向分布不再受衍射影响，从而在 腔内形成往返能够再现的稳定场分布，这就是能在腔内稳定存在的横模。 激光的模式一般用符号t e m m n q 来标记，其中t e m 表示横向电磁场，q 为纵模的序数，即纵向驻波波节数；r n ，n 为横模的序数，用正整数表示，他们 描述镜面上场的节线数，设m = 0 ，n = 0 ，t e m 0 0 q 称为基模( 或横向单模) ， 是光斑的最简单结构，模的场集中在反射镜中心，而其他的横模称为高阶横锄 模，即在镜面上将出现场的节线( 即振幅为零的节线) ，且场分布的“重心 也将靠近镜的边缘。不同横模不仅振荡频率不同，在垂直于其传播方向的横向 珂面内的场分布也不同。对于方形镜( 轴对称情况) t e m m n ，m 表示x 方向的 节线数，n 表示y 方向的节线数；对于圆形镜( 旋转对称情况) m 表示镜向节线 数，即暗环数，n 表示角节线数，即暗直径数。图2 1 、图2 - 2 表示了几种横模 形式： 霉8 = 嘲8 8 l 暑 0 01 00 12 0 3 0 龟口龟l 多 矽囊d i l 1 1 2 1 o t o 啊 - - -! t 黼 3 30 4 图2 - 1 轴对称横模 2 1 3 激光的特点： o o o 0 1 1 01 l 2 0 竺璺雳如毋 _ 八1 0 1 0 2 0 3 0 4 图2 - 2 旋转对称横模 激光束具有高度的方向性、单色性、相干性和高亮度。其中激光束的方向 性通常用光束发散角来衡量。激光的方向性比普通光源发出的光好得多，激光 束之所以具有方向性强的特点是由于激光器受激辐射的机理和光学谐振腔对光 8 第2 章激光切割技术的概述 束的方向限制所决定的。然而，激光所能达到的最小光束发散角还要受到衍射 效应的限制，它不能小于激光通过输出孔径的衍射角0r n ，0m 称为衍射极 限，设光腔的输出孔径为d 。 则0m 入d 式中，0m 的单位为r a d ；入为激光波长。 由此可得激光束的立体发散角：q l n - ( 0m ) 2 - - ( 入仍) 2 式中o m 为立 体发散角s r 。 不同类型的激光器的方向性差别很大，它与工作物质类型和均匀性、光腔 类型、腔长、激励方式以及激光器的工作状态等都有关。 2 1 4 激光加工中普遍涉及的激光输出参数 激光加工技术是激光应用中的一个十分重要而又最具活力的方面。激光加 工根据不同的加工目的又可分为很多种类，典型的有激光切割、激光焊接、激 光淬火、激光合金化、激光冲击强化、激光衍磨等，从实现上述各种加工方法 和影响加工效果的角度看，这些加工方法都共同涉及到一些激光输出参数，下 面介绍各激光输出参数对激光加工的影响【8 】四】。 ( 1 ) 激光模式 前面已经介绍了激光模式表征光波场振幅( 或能量) 的空间分布。激光横 模代表了激光束光场的横向分布规律，激光纵模与激光在光腔内纵向分布规律 对应，主要影响激光的频率，二者均会影响激光加工的效果。 激光纵模决定了激光波长和激光频率。激光加工中所使用的激光波长的大 小对激光加工有很强的影响。首先，材料的反射系数和所吸收的能量份额取决 于激光波长，激光波长越短，则金属材料的反射系数越小，所吸收的光能就越 多。 激光横模决定激光光波场在空间的展开程度，高阶模的展开比较宽，低阶 模能量比较集中。但是从空间内能量分布的均匀性上来讲，高阶模能量分布比 较均匀。在激光加工中，根据不同的加工种类和加工要求对激光能量在空间的 能量分布提出相应的要求，即对激光模式，尤其是横模提出相应要求，可以选 择不同的光学谐振腔来实现相应的要求，比如激光切割时要求能量分布在光束 横截面内要集中，所以应该选用能量相对集中的低阶模激光束，而在激光淬火 中为了保证淬硬带内硬度、深度和性能等要分布均匀，此时要选用能量在光束 内分布均匀的激光模式，即选用高阶模式比较合适。 9 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 激光输出功率 工件表面某点吸收能量的多少由激光输出功率和激光辐照时间共同决定。 对于连续激光，激光辐照时间由激光扫描速度决定，而对于脉冲激光，则激光 辐照时间由脉宽和激光扫描速度决定。无论对连续激光还是脉冲激光，激光功 率越大，则工件所能吸收的能量越高，材料所能达到的温度就越高。控制激光 功率和激光辐照时间就可以实现不同激光加工方法和不同加工效果。 ( 3 ) 激光偏振特性 激光的偏振特性影响材料的吸收特性，进而影响激光j n 3 ：时材料吸收能量 的份额。理论和实践表明：在入射角小的情况下，材料表面对激光的反射特性 和吸收特性受激光偏振特性的影响比较小，但是当入射角较大时，激光的偏振 特性对于激光加工过程有强烈的影响，必须对激光的偏振特性加以控制。必要 时通过光学变换的方法将输出激光变换为以一定方位和入射角、偏振方向辐照 工件表面，或变换为圆偏振光，这样工件表面对激光吸收率的影响就与方位无 关了。 2 2 激光切割机理 2 2 1 激光切割时切口的形成 撅 激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射处的材料 迅即熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借与光束同轴的高速气流吹除熔融物 质，从而实现割开工件的一种热切割方法【9 】。其切割过程示意图如图2 3 所示。 1 0 图2 - 3 激光切割过程示意图 一 第2 章激光切割技术的概述 切割过程发生在切口的终端处一个垂直的表面，称之为烧蚀前沿。激光和 气流在该处进入切口，激光能量一部分为烧蚀前沿所吸收，一部分通过切口或 经烧蚀前沿向切口空间反射。 用0 2 作辅助气体激光切割碳钢时，借助高速摄影观察切割过程表明，当切 口前沿的上表面受激光照射达到铁一氧反应温度时，氧化反应即从其中的一点开 始，并迅速向周围扩展，形成一个类似球瓣状的反应区。如图2 4 中标有碎点的 部分，在球瓣的下端处存在一缩颈部。此缩颈部下，氧化反应以速度v n 继续往 下进行。随着熔渣为辅助气体排除和激光束向前行进，就扩展成图2 4 右图所示 形状。匕述过程不断重复，就形成切口并将工件割开。 图2 4 激光切割碳钢影像图 在正常切割情况下，切口宽度取决于聚焦以后的光斑直径，而工件上表面 处的切口宽度相当于功率密度约为1 5 k w c m 2 以上的光束分布区的尺寸。可 见，用聚焦后能量集中的激光束可以获得较窄的切口宽度。 研究表明，用氧气作辅助气体，用c 0 2 激光对碳钢进行切割时，切口前沿 的温度t f 和激光束至切口前沿的距离r f 同切割速度有密切关系。 在计算机的控制下，通过脉冲使激光器放电，从而输出受控的重复高频率 的脉冲激光，形成一定频率、一定脉宽的光束，该脉冲激光束经过光路传导及 反射并通过聚焦透镜组聚焦在加工物体的表面上，形成一个个细微的、高能量 密度光斑，焦斑位于待加工面附近，以瞬间高温熔化或气化被加工材料。每一 个高能量的激光脉冲瞬间就把物体表面溅射出一个细小的孔，在计算机控制 山东大学硕士学位论文 下，激光加工头与被加工材料按预先绘好的图形进行连续相对运动打点，这样 就会把物体加工成想要的形状。切割时，一股与光束同轴气流由切割头喷出，将 熔化或气化的材料由切口的底部吹出( 注：如果吹出的气体和被切割材料产生热 效反应，则此反应将提供切割所需的附加能源；气流还有冷却已切割面，减少热 影响区和保证聚焦镜不受污染的作用) 。与传统的板材加工方法相比，激光切割 具有高的切割质量( 切口宽度窄、热影响区小、切口光洁) 、高的切割速度、高 的柔性( 可随意切割任意形状) 、广泛的材料适应性等优点【l o 】。 2 2 2 典型的激光切割机的构成， 如图2 5 所示， 水冷却装置 n c 装置 切割机 激光光束 激光振荡器操作面板 图2 - 5 激光切割机的构成 由产生激光光束的激光振荡器以及冷却聚焦镜等光学系统的冷却水循环装 置、控制激光振荡器和切割机的n c 控制装置以及操作切割机的操作面板构 成。 使用反射率高的反射镜将激光振荡器产生的激光光束传送到设置在切割材 料跟前的聚焦镜，聚焦激光光束进行切割，并且和激光光束同轴喷射辅助气 体。此辅助气体的作用，是保护聚焦镜和吹掉熔融金属，并且将氧气用作辅助 气体，使被切割材料和氧气产生氧化反应，聚焦镜和辅助气体喷出的构造如图 2 - 6 所示。 聚焦透镜将激光聚焦至一个很小的光斑，光斑的直径一般为 0 1 m m - - 0 5 m m 。 激光切割能进行与材料刚性无关的切割，因此能切割的材料包括金属、非 金属在内的几乎所有的材料。但是，反射激光之类的材料( 以下称作高反射材 料，如金、铝、铜、黄铜等) ，是用激光切割难以切割的材料。切割高反射材 1 2 第2 章激光切割技术的概述 料时，反射到振荡器上的光强变大，振荡器毁坏，因恐怕反射到机器上的光会 导致机器的一部分燃烧等，并且，由于反射到机器周围的光束也多，所以在安 全方面，需要强化防反射的措施等。 2 2 3 激光切割的分类： 图2 _ 6 聚焦镜和辅助气体喷出的构造 根据被切材料与切割参数的不同，可将激光切割方法分为汽化切割、熔化 切割、反应熔化切割三种方法【l l ，1 2 】； 从激光光束的输出形态来分，切割方法有连续切割、脉冲切割两种： ( 1 ) 连续切割法 也称为c w 切割法。连续切割法是振荡输出连续的发生，从而进行切割的 方法。在切割低碳钢的场合，是切割速度最高的方法。 但是，连续切割法，由于连续的把激光光束照射到被切割材料上，所以能 使切割速度最大化。但是因为输送过度的热量给被切割材料，所以，和脉冲切 割相比较，切割面粗糙度多少会变大，最终影响切割质量、尺寸精度等，因而 1 3 山东大学硕：f ：学位论文 从质量以及精度来看，有时是不妥当的。 ( 2 ) 脉冲切割法 脉冲切割法是使振荡输出间断的发生，从而进行切割的方法。脉冲切割 法，由于是间断的把激光光束照射到被切割材料上，一边冷却材料，一边将切 割进行下去，将投入材料的热量降到最低限，能够进行切割质量以及尺寸精度 良好的加工。 进行脉冲切割法的场合，要设定脉冲频率和脉冲输出百分比。所谓脉冲频 率，是指在一秒钟内使激光光束o n 、o f f 几次，用h z ( 赫兹) 表示。 脉冲频率几乎不会给切割速度带来影响。对切割面粗糙度也不太有影响。 但是，设定了极端低的频率( 大约1 0 0 h z 以下) 的场合，切割面粗糙度变大。 关于飞溅，降低脉冲频率剥离性改善。切割低碳钢的场合，1 2 0 0 0 i - i z 以上的高 频，连续( c w ) 切割法的性能提高。 所谓脉冲输出百分比，是指每一脉冲的激光光束振荡时间的比率，用百分 比表示。 脉冲输出百分比，与输出一样是进行切割时的重要的参数。 脉冲输出百分比，因为是决定脉冲切割总计的激光光束照射量的参数，所 以给予切割性能的影响和输出有大致相同的倾向。但是，脉冲切割激光光束照 射量与脉冲输出百分比成反比，实际的激光光束的输入热量减少，切割速度与 连续切割相比也下降。 同一台激光切割机，切割一般材料使用连续输出激光，而切割铜、铝、不 锈钢等难以切割的材料时，则要用各种脉冲输出激光。连续输出用于普通钢板 的高速切割。但在切割复杂轮廓的转角处，不可避免的要降速，为了不增大热 影响区，而又保持正常切割所需功率密度，有效的办法是对连续输出激光进行 调制，并改变其占空比。 2 2 4 激光，j d - r 的安全标准 激光加工设备和操作及其安全标识、标志均应遵照以下国家标准执行： g b7 2 4 7 1 - 2 0 0 1 0 e c6 0 8 2 5 - 1 ：1 9 9 3 )激光产品的安全第1 部分：设备分 类要求和用户指南 g b1 8 4 9 0 2 0 0 1 ( i s o11 5 5 3 ：1 9 9 6 )激光加工机械安全要求 g b1 0 3 2 0 1 9 9 5 ( 正c8 2 0 8 6 )激光设备及设施的电气安全 1 4 第2 章激光切割技术的概述 ( j b1 8 2 1 7 - 2 0 0 0 g b1 8 2 0 9 1 2 0 0 0 ( 正c6 1 3 1 0 1 ：1 9 9 5 ) 分：关于视觉、听觉和触觉信号的要求 g b1 8 2 0 9 2 - 2 0 0 0 ( 正6 1 3 1 0 - 2 ：1 9 9 5 ) 分：标志要求 g b1 8 2 0 9 3 - 2 0 0 00 e c6 1 3 1 0 - 2 ：1 9 9 5 ) 分：操作件的位置和操作的要求 2 2 5 激光产品的安全分类 激光安全标志 机械安全指示、标志和操作第一部 机械安全指示、标志和操作第二部 机械安全指示、标志和操作第三部 从安全观点和激光功率等来分，按可发射极限( a e l ) 表分类，激光产品 分为四类( 详见g b 7 2 4 7 - 2 0 0 1 ) ，简单的可按下列叙述。 1 类：激光产品固有是安全的，在任何情况下，不会超过最大允许照射 量。 2 类：激光产品是发射可见光，通常可由眼睛对光的回避反应提供保护。 3 a 类：通过光学仪器直接观察光束是有害的那类激光产品。 3 b 类：直接在激光光路内照射时，可能对眼睛有危害的那类激光。 4 类：即使是直接照射或者是扩散、漫反射都有危害的那类激光。 2 2 6 来自激光切割过程中的危险 ( 1 ) 机械危险 机械运动部件会因人为疏忽或零件失效存在碰撞、挤压的危险。 ( 2 ) 电气危险 激光发生器存在万伏高压对人体极端危险。 ( 3 ) 热危险 因激光属于热切割，在加工过程中会产生大量的热量，此时若环境大气存 在易燃的有机溶剂或颗粒，会存在发生火灾的危险。 ( 4 ) 燃烧的危险 在激光控制区域内不要存放和遗留易燃物。当在切割那些着火点低的材料 ( 木头、纸张等等) 时，要特别注意着火。提供一个适用的灭火器。 激光束有着很强的热能。要注意激光束或散射光辐射到易燃物( 木头、纸 1 5 山东大学硕上学位论文 张、衣服等等) 上，否则可能会引起燃烧。 ( 5 ) 加工材料和物质导致的危险 某些加工材料在激光加工时会被加热和燃烧，此时会分解出化学物质并释 放含有有毒蒸气的烟尘，如多氯化联( 二) 苯，聚碳酸酯和玻璃纤维等。存在威胁 人体健康的危险! ( 6 ) 辐射危险 a 、直射或反射，甚至是散射的激光束导致眼睛、皮肤的严重烧伤的危 险； b 、激光器的红色指示光也是严禁直视的，否则，可能会导致对眼睛的伤 害； c 、激光辐射可以引起火灾或者爆炸的危险； d 、离子辐射导致的危险。 ( 7 ) 其他危险 a 、激光焊接时，为了保护镜片和焊缝，常采用氩气和氮气。激光切割碳 钢时，需要用大量的氧气，若在闭塞的空间加工，对惰性气体而言，会引起缺 氧；对氧气而言则容易导致火灾的危险； b 、对c 0 2 激光，所用聚焦透镜等光学用化学气相沉积( c v o ) 法制造，多 用z n s e 材料，当它在燃烧点以上时，就有有毒的s e 蒸气发生，它为剧毒物 质。为了提高透射率，在透镜上涂有放射性物质钍的化合物膜，所以透镜破损 后要注意妥善处理，不能按照工业上常规废物处理。 注意：一旦聚焦镜发生破损，请按以下步骤处理： 首先将大块碎片收集起来放入合适的容器( 适合密封、运输) 以便于以后 的处置，小块及细屑用湿布或湿纸巾擦拭并收集起来，切忌用干布擦或气吹引 起浮尘。 因为镜片的材料为z n s e ，在激光产生的高温下燃烧或熔融后分解为z n o 和 s e 0 2 ，这两种物质挥发后会附着在镜片周围的机械装置上，如镜座、导光管等。 所以镜片破损后除进行上述的清理工作外，镜片周围的机械装置表面必须用湿 的砂纸打磨干净，然后再用湿布或湿纸巾清理。 破损的镜片及碎片必须交由专业认证的工业废弃物处理厂或者联系镜片生 产商，根据镜片的破损情况选择修复、重新镀膜或者回收来处置。 1 6 第2 章激光切割技术的概述 2 3 本章小结 本章对激光器的组成及切割机组成进行了说明，并详细阐述机关参数对切 割质量的影响，对激光器选用提供参考依据。 1 7 第3 章切割机的设计 第3 章切割机的设计 3 1 机床设计要求 激光切割机是一种集光、机、电于一体的计算机数字控制加工机床，利用 安装在本机床上的光路镜片将激光束自激光发生器引导至安装在机床的切割头 上，这样激光就可以通过切割头在整个工作台范围内的移动来实现整个工作区 域的材料加- - - 1 1 3 , 1 4 。 本次