激光切割基礎知識資料

激光切割加工基礎知識

第一部分激光切割的原理和功能

一、激光切割的原理

激光切割是由電子放電作為供給能源，通過He、N2、CO2等混合氣體為激發(fā)

媒介，利用反射鏡組聚焦產生激光光束，從而對材料進行切割。

激光切割的過程：在數(shù)控程序的激發(fā)和驅動下，激光發(fā)生器內產生出特定模

式和類型的激光，經過光路系統(tǒng)傳送到切割頭，并聚焦于工件表面，將金屬熔化;

同時，噴嘴從與光束平行的方向噴出輔助氣體將熔渣吹走；在由程控的伺服電機

驅動下，切割頭按照預定路線運動，從而切割出各種形狀的工件。

1—敷光器；2T敷光束；

3—全反射棱鏡；7焦物￡

5—工件；―工作臺

圖1:激光切割示意圖

二、機床結構

SLCF-X15X40F數(shù)控激光切割機是意大利普瑞瑪(PRIMA)工業(yè)公司的主導機

型一一懸臂式飛行光路結構的激光切割機，加工板材尺寸為1500X4000毫米，配

有交換工作臺。

(-)該機型的主要特點如下：

?懸臂式開式結構，可從三個方向上下料，人機接近性極好，可放置超長超寬的

板材。

?可移動式切割工作臺與主機分離，柔性大。可加裝焊接、切管等功能。

?精密傳動部件不在切割區(qū)域內，防護容易，也不會由于工作臺及床身切割熱變

形影響機床的精度。

?從根本上消除了電器雙邊同步鎖產生的誤差，避免了橫梁的扭動，使得光路穩(wěn)

定，切割精度提高。

?配有高速的Z軸系統(tǒng)，同時可通過數(shù)控系統(tǒng)控制輔助氣體的壓力、流量等，大

大提高了加工效率。

?新型的PM—400V2.0智能化編程軟件，具有蛙跳、共邊切割、優(yōu)化套排料、高

效穿孔、尖角處理等功能。

?具有先進的多腔分室除塵系統(tǒng)，比單純的抽風系統(tǒng)除塵效果更高。

（-）機床的結構主要由以下幾部分組成：

1、床身

全部光路安置在機床的床身上，床身上裝有橫梁、切割頭支架和切割頭工具，

通過特殊的設計，消除在加工期間由于軸的加速帶來的振動。機床底部分成幾個

排氣腔室，當切割頭位于某個排氣室上部時，閥門打開，廢氣被排出。通過支架

隔架，小工件和料渣落在廢物箱內。

2、工作臺

移動式切割工作臺與主機分離，柔性大，可加裝焊接、切管等功能。配有兩

張1.5米X4米的工作臺可供交換使用，當一個工作臺在進行切割加工的同時，另

一張工作臺可以同時進行上下料操作，有效提高工作效率。兩個工作臺可通過編

程或按鈕自動交換。

工作臺下方配有小車收集裝置，切割的小料及金屬粉末會集中收集在小車中。

3、切割頭

是光路的最后器件，其內置的透鏡將激光光束聚焦，標準切割頭焦距有5英

寸和7.5英寸（主要用于割厚板）兩種。良好的切割質量與噴嘴和工件的間距有

關，本機切割頭使用德國PRECITEC公司生產的非接觸式電容傳感頭，在切割過程

中可實現(xiàn)自動跟蹤與修正工件表面與噴嘴的間距，調整激光焦距與板材的相對位

置，以消除因被切割板材的不平整對切割材料造成的影響。自動找準材料的擺放

位置（紅光指示器）。

4、控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括數(shù)控系統(tǒng)（集成可編程序控制器PLC）、電控柜及操作臺。

PMCT200數(shù)控系統(tǒng)由32位CPU控制單元、數(shù)字伺服單元、數(shù)字伺服電機、電纜等

組成，采用全中文才做界面，10.4〃彩色液晶顯示器，能實現(xiàn)機外編程計算機與

機床的控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸通訊（具有232接口），具有加速、突變限制；具有

圖形顯示功能，可對激光器的各種狀態(tài)進行在線和動態(tài)控制功能。

5、激光控制柜

控制和檢查激光器的功能，并顯示系統(tǒng)的壓力、功率、放電電流和激光器的

運行模式。

6、激光器

采用原裝進口德國ROFIN公司SLAB3000W型激光發(fā)生器，是目前世界先進的RF

激勵板式放電的二氧化碳激光器。其心臟是諧振腔，激光束就在這里產生，激光

氣體是由二氧化碳、氮氣、氮氣的混合氣體，通過渦輪機使氣體沿諧振腔的軸向

高速運動，氣體在前后兩個熱交換器中冷卻，以利于高壓單元將能量傳給氣體。

7、冷卻設備

冷卻激光器、激光氣體和光路系統(tǒng)。

8、除塵裝置

內置管道及風機，改善了工作環(huán)境。切割區(qū)域內裝有大通徑除塵管道及大全

壓的離心式除塵風機，加之全封閉的機床床身及分段除塵裝置，具有較好的除塵

效果。

9、供氣系統(tǒng)

包括氣源、過濾裝置和管路。氣源含瓶裝氣和壓縮空氣（空氣壓縮機、冷干機）。

（三）設備的技術參數(shù)

表1:激光切割機技術參數(shù)

序號項目名稱參數(shù)單位

1切割板材尺寸1500*4000mm

2X軸行程4000mm

3Y軸行程1500mm

4Z軸行程100mm

5X、Y軸定位精度±0.03mm/m

6X、Y軸重復定位精度±0.03mm

7X、Y軸最大定位速度100m/min

8切割工作臺最大載重750kg

9切割碳鋼最大厚度18-20mm

10切割不銹鋼最大厚度8-10mm

11切割鋁板最大厚度5-6mm

12真空懸臂吊最大載重500kg

（四）ROFIN3000WCO2激光發(fā)生器技術參數(shù)

表2：激光器技術參數(shù)

激光束特性

功率范圍（W）0-3000

最大功率（W）3000

長時間功率穩(wěn)定性公稱功率±2%

光束直徑（l/e2）（毫米）20-25

光束發(fā)散（全角）（毫弧度）W0.5

光束端點穩(wěn)定性（毫弧度）W0.15

因子K（公稱功率）K>0.9

偏振狀態(tài)45度線偏振

光束模式00模式

操作連續(xù)波、門脈沖

脈沖參數(shù)

脈沖重復頻率（赫茲）CW-5000

最小脈沖周期（微秒）26

脈沖寬度26um

電、氣、冷卻

電能消耗（千伏安）工作耗電38KVA

380V±10玳三相，50赫茲待機耗電2.5KVA

最小氣體消耗（升/小時）±2%

0.1L/H

最大功率時（氯氣65%,氮氣30%,C025%）

冷卻能力（千瓦，環(huán)境溫度＜40度）35

壓縮空氣壓力（巴）>4

環(huán)境溫度范圍（度）5-30

三、切割方法

不同的材料，切割方法不一樣，主要分為熔化切割、氧化切割、氣化切割、導

向斷裂切割等。

表3：切割方法與對應的材料

序號切割方法對應切割材料

1熔化切割不銹鋼、鋁

2氧化切割碳鋼

3氣化切割木材、碳素材料和某些塑料

4導向斷裂切割陶瓷

1、熔化切割

在激光熔化切割中，工件材料在激光束的照射下局部熔化，熔化的液態(tài)材料

被氣體吹走，形成切縫，切割僅在液態(tài)下進行，故稱為熔化切割。切割時在與激

光同軸的方向供給高純度的不活潑氣體，輔助氣體僅將熔化金屬吹出切縫，不與

金屬反應。這種切割方法的激光功率密度在lO'W/cn?左右。

?激光光束配上高純惰性切割氣體促使熔化的材料離開割縫，而氣體本身不參

于切割。

?最大切割速度隨著激光功率的增加而增加，隨著板材厚度的增加和材料熔化

溫度的增加而幾乎反比例地減小。在激光功率一定的情況下，限制因數(shù)就是

割縫處的氣壓和材料的熱傳導率。

2、氧化切割

與熔化切割不同，激光氧化切割使用活潑的氧氣作為輔助氣體。由于氧與已

經熾熱了的金屬材料發(fā)生化學反應，釋放出大量的熱，結果是材料進一步被加熱。

?材料表面在激光束照射下很快被加熱到燃點溫度，與氧氣發(fā)生激烈的燃燒反

應，放出大量熱量，在此熱量作用下，材料內部形成充滿蒸汽的小孔，而小

孔周圍被熔化的加工材料所包圍。

?燃燒物質轉移成熔渣，控制氧和加工材料的燃燒速度，氧氣流速越高，燃燒

化學反應和去除熔渣的速度也越快。但是，如果氧氣速度過快，將導致割縫

出口處的反應產物即金屬氧化物的快速冷卻，對切割質量造成不利影響。

?切割過程存在兩個熱源：激光束照射能和化學反應所產生的熱能。據(jù)估計，

切割碳鋼時，氧化反應所產生的熱能占切割所需能量的60猊

?在氧化切割過程中，如果氧化燃燒的速度高于激光束移動的速度，割縫將變

寬且粗糙，反之，如果移動速度慢，則割縫窄而光滑。

3、氣化切割

激光束焦點處功率密度非常高，可達lO'W/cm?以上，激光光能轉換成熱能，

保持在極小的范圍內，材料很快被加熱至氣化溫度，部分材料氣化為蒸汽逸去，

部分材料被輔助氣體吹走，隨著激光束與材料之間的連續(xù)不斷的相對運動，便形

成寬度很窄（如10.2硒）的割縫。這種切割方法的功率密度在10期/。而左右。一些

不能熔化的材料如木材、碳素材料和某些塑料即通過這種方法進行切割。

?激光氧化切割在加工精密模型和尖角時是不好的（有燒掉尖角的危險）?？梢?/p>

使用脈沖模式的激光來限制熱影響。

?所用的激光功率決定切割速度。在激光功率一定的情況下，限制因數(shù)就是氧

氣的供應和材料的熱傳導率。

4、導向斷裂切割

對于容易受熱破壞的脆性材料，通過激光束加熱進行高速、可控的切斷，稱為

導向斷裂切割。這種切割過程主要內容是：激光束加熱脆性材料小塊區(qū)域，引起

該區(qū)域大的熱梯度和嚴重的機械變形，導致材料形成裂縫。只要保持均衡的加熱

梯度，激光束可引導裂縫在任何需要的方向產生。

選擇切割方法，需考慮它們的特點和板件的材料，有時也要考慮切割的形狀。

由于氣化相對熔化需要更多的熱量，因此激光熔化切割的速度比激光氣化切割的

速度快，激光氧化切割則借助氧氣與金屬的反應熱使速度更快；同時，氧化切割

的切縫寬，粗糙度高，熱影響區(qū)大因此切縫質量相對較差，而熔化切割割縫平整,

表面質量高，氣化切割因沒有熔滴飛濺，切割質量最好。另外，熔化切割和氣化

切割可獲得無氧化切縫，對于有特殊要求的切割有重要意義。

一般的材料可用氧化切割完成，如果要求表面無氧化，則須選擇熔化切割，

氣化切割一般用于對尺寸精度和表面光潔度要求很高的情況，故其速度也最低。

另外，切割的形狀也影響切割方法，在加工精細的工件和尖銳的角時，氧化切割

可能是危險的，因為過熱會使細小部位燒損。

四、運行模式

激光器經常運行在連續(xù)輸出模式，為了得到最佳的切割質量，對于給定的材

料，有必要調整進給速率，例如拐彎時的加速，減速和延時。因此，在連續(xù)輸出

模式下，降低功率是不夠的，必須通過變化脈沖來調整激光功率。

表4：各種不同的激光運行模式、應用范圍和舉例.

激光模式圖形表示應用舉例

連續(xù)模式低壓切割用氧氣切結構鋼

普通切割用氮氣切不銹鋼

高壓切割用氮氣切鋁板

調制模式切角激光功率與切割速度相關.可以

加速和剎車避免切角時的燒痕.

普通脈沖穿孔切結構鋼精細穿孔

模式薄板精細加工切小孔精細切割

穿孔用氮氣切割銅

超脈沖模加工高反射率用氧氣切割不銹鋼

式b1材料用氧氣切割耐熱鋼

超強脈沖1穿孔變頻穿孔：增頻

模式厚板精細加工穿孔速度快

用氧氣切割鋅板

IL2

在連續(xù)模式下，激光輸出的功率是恒定的，這使得進入板料的熱量比較均勻,

它適合于一般情況下較快速的切割，一方面可以提高工作效率，另一方面也是避

免熱量集中導致熱影響區(qū)組織惡變的需要。

調制模式的激光功率是切割速度的函數(shù)，它可以通過限制在各點處的功率使

進入板料的熱量保持在相當?shù)牡退?，從而防止切縫邊緣的燒傷。由于它的控制

比較復雜，因此效率不是很高，只在短時段內使用。

脈沖模式雖可細分為三種情況，實質上只是強度的差別，往往根據(jù)材料的特

性和結構的精度來選擇。

五、激光切割的特點

1、激光切割的切縫窄，工件變形小

激光束聚焦成很小的光點，使焦點處達到很高的功率密度。這時光束輸入的

熱量遠遠超過被材料反射、傳導或擴散的部分，材料很快加熱至汽化程度，蒸發(fā)

形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫。切

邊受熱影響很小，基本沒有工件變形。

切割過程中還添加與被切材料相適合的輔助汽體。碳鋼切割時利用氧作為輔

助汽體與熔融金屬產生放熱化學反應氧化材料，同時幫助吹走割縫內的熔渣。切

割聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣，棉、紙等易燃材料切割使用惰性汽體。進入噴

嘴的輔助汽體還能冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進入透鏡座內污染鏡片并導致鏡片過

熱。

大多數(shù)有機與無機材料都可以用激光切割。在工業(yè)制造系統(tǒng)占有份量很重的

金屬加工業(yè)，許多金屬材料，不管它是什么樣的硬度，都可以進行無變形切割。

當然，對高反射率材料，如金、銀、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導體，因此

激光切割很困難，甚至不能切割。

激光切割無毛刺、皺折、精度高，優(yōu)于等離子切割。對許多機電制造行業(yè)來

說，由于微機程序控制的現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件，

它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用；盡管它加工速度還慢于模沖，但它沒有

模具消耗，無須修理模具，還節(jié)約更換模具時間，從而節(jié)省了加工費用，降低了

生產成本，所以從總體上考慮是更合算的。

2、激光切割是一種高能量、密度可控性好的無接觸加工

激光束聚焦后形成具有極強能量的很小作用點，把它應用于切割有許多特點。

首先，激光光能轉換成驚人的熱能保持在極小的區(qū)域內，可提供：（1）狹窄的

直邊割縫；（2）最小的鄰近切邊的熱影響區(qū)；（3）極小的局部變形。

其次，激光束對工件不施加任何力，它是無接觸切割工具，這就意味著：（1）

工件無機械變形；（2）無刀具磨損，也談不上刀具的轉換問題；（3）切割材料

無須考慮它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料的硬度影響，任何硬度的材

料都可以切割。

再次，激光束可控性強，并有高的適應性和柔性，因而：（1）與自動化設

備相結合很方便，容易實現(xiàn)切割過程自動化；（2）由于不存在對切割工件的限

制，激光束具有無限的仿形切割能力；（3）與計算機結合，可整張板排料，節(jié)

省材料。

3、激光切割具有廣泛的適應性和靈活性

與其它常規(guī)加工方法相比，激光切割具有更大的適應性。與其他熱切割方法

相比，同樣作為熱切割過程，別的方法不能象激光束那樣作用于一個極小的區(qū)域,

結果導致切口寬、熱影響區(qū)大和明顯的工件變形。激光能切割非金屬，而其它熱

切割方法則不能。

六、氣體參數(shù)的控制

在實際的激光切割過程中，還要有輔助氣體的參與。輔助氣體不但可以將熔

渣及時吹走，還起到冷卻工件和清潔透鏡的作用，選用不同的輔助氣體，更能夠

改變切割的速度及割縫表面質量，對特殊金屬的切割具有重大意義。

影響氣體的參數(shù)包括氣體類型、氣體壓力和噴嘴直徑。

（1）輔助氣體類型

輔助氣體類型有氧氣、空氣、氮氣和氤氣。氧氣適合于厚板切割、高速切割

和極薄板切割；空氣適合于鋁板、非金屬及鍍鋅鋼板的切割，在一定程度上它可

以減少氧化膜且節(jié)省成本；氮氣作為切割時的保護氣體可防氧化膜發(fā)生，防止燃

燒（在板料較厚時容易發(fā)生）；氤氣用于鈦金屬切割。

（2）氣體壓力

氣體壓力分高壓和低壓兩種，根據(jù)激光機的技術參數(shù)，高壓最大為20兆帕，

低壓最大為5兆帕。選擇壓力的依據(jù)有板料厚度、切割速度、熔化金屬的粘度

和激光功率。當料厚較大，切速較快，金屬液體的粘度較高時，可選用高一些的

壓力；相反，對于薄料、慢速切割或液態(tài)粘度小的金屬，則可選擇適當?shù)牡蛪骸?/p>

功率較大時適當增加氣體壓力對冷卻周圍材料是有益的，它適用于有特殊要求的

場合。不管選用怎樣的壓力，其原則都是在保證吹渣效果的前提下盡可能經濟。

(3)噴嘴直徑

噴嘴直徑的選取與氣體壓力的選擇原則上是一樣的，但它還與切割方法有

關。對于以氧氣作為輔助氣體的切割，由于金屬的燃燒，割縫較寬，要想迅速有

效地吹走熔渣，得選用大直徑的噴嘴才行，對于采用脈沖切割的場合，割縫較小,

不宜選用太大的噴嘴。有時噴嘴大小的選擇會與壓力選擇相矛盾,在不能兩全的

情況下，通過調節(jié)噴嘴與切縫的距離也能起到一定的作用。

常用的噴嘴直徑是1.5和2.0的。

七、材料特性與激光加工的關系

工件切割的結果可能是切縫干凈，也可能相反，切縫底部掛渣或切縫上帶有

燒痕，其中很大的一部分是由材料引起的。影響切割質量的因素有：合金成分、

材料顯微結構、表面質量、表面處理、反射率、熱導率、熔點及沸點。

通常合金成分影響材料的強度、可焊性、高氧化性和耐腐蝕性，所以含碳量

越高越難切割；晶粒細小切縫品質好；如果材料表面有銹蝕，或有氧化層，熔化

時因氧化層與金屬的性質不同，使表面產生難熔的氧化物，也增加了熔渣，切縫

會呈不規(guī)則狀；表面粗造減少了反光度，提高熱效率，經噴丸處理后切割質量要

好許多。導熱率低則熱量集中，效率高。

因此，越是晶粒細小、表面粗糙、無銹蝕、導熱率低的材料越容易加工，而

含碳量高、表面有鍍層或涂漆、反光率高的材料較難切割。含碳量高的金屬多屬

于熔點比較高的金屬，由于難以熔化，增加了切穿的時間。一方面，它使得割縫

加寬，表面熱影響區(qū)擴大，造成切割質量的不穩(wěn)定；另一方面，合金成分含量高,

使液態(tài)金屬的粘度增加，使飛濺和掛渣的比率提高，加工時對激光功率、氣吹壓

力的調節(jié)都提出了更高的要求。鍍層和涂漆加強的光的反射，使熔融因難；同時,

也增加了熔渣的產生。

八、激光切割應注意的問題

前面分析了激光切割最主要的幾個技術參數(shù)，它們決定了切割工藝的主要方

面，但并不是只要把握了這就一定能加工出高質量的產品，還有幾個問題是特別

需要引起注意的：

1、切速的選擇

激光切割的速度最大可達200—300nim/s,實際加工時往往只有最大速的1/3

-1/2,因為速度越高，伺服機構的動態(tài)精度就越低，直接影響切割質量。有實

驗表明，切割圓孔時，切速越高，孔徑越小，加工的孔圓度就越差。只有在長邊

直線切割時才可以使用最大速切割以提高效率。

2、切割的引線和尾線

在切割操作中，為了使割縫銜接良好，防止始端和終點燒傷，常常在切割開

始和結束處各引一段過渡線，分別稱作引線和尾線。引線和尾線對工件本身是沒

有用的，因此要安排在工件范圍之外，同時注意不能將引線設置在尖角等不易散

熱處。引線與割縫的連接盡量采用圓弧過渡，使機器運動平穩(wěn)并避免轉角停頓造

成燒傷。

3、尖角的加工

用走圓弧加工出鈍角

如有可能，避免加工沒有圓弧的角。帶圓弧的角有下列好處：a）軸運動的

動態(tài)性能好；b）熱影響區(qū)??；c）產生的毛刺少。對于不帶圓角的邊角，可以

設定的最大半徑是切縫寬度的一半。此時切割出來的邊角是沒有圓角的。

礴

圖2：走圓弧法加工鈍角

用圓孔成角法在薄板上切割尖角

當在薄板上高速切割時，建議使用圓孔成角法切割尖角，它有下列好處：a）

切割尖角時，軸向變化均勻；b）切角時，切速恒定；c）防止了軸振動，避免

毛刺生成；d）尖角處的熱影響區(qū)小。

圖3：圓孔成角法加工銳角

用延時法在厚板上切割尖角

切割厚板時，如果還使用圓孔成角法，尖角周圍會過熱，此時應采用參數(shù):

"Criticalangle.dwelltime”來切割尖角,機器運動到尖角處，停頓特定的

時間，然后繼續(xù)轉向運動。

九、激光所用氣體

激光所用氣體包括激光器工作和保護氣體以及切割輔助氣體。

激光器工作氣體用于產生激光，保護氣體用于保護光學器件、驅動光閘。激

光器工作氣體由氫氣、氮氣、二氧化碳氣體按照一定比例混合，這個比例在工廠

預定好，確保最佳性能，不要隨便調整，比例不當，可能會造成激光系統(tǒng)的失效

和高壓電源的損害。激光器所用氣體均為高純度，均在99.999%以上.

切割輔助氣體主要是N2或有的材料切割可以使用壓縮空氣作為切割

輔助氣體。N切割的切割面比較光亮；切割的切割面由于材料被氧化而發(fā)黑。

切割輔助氣體的純度越高，切割面的質量越好。

表4：切割輔助氣體

氣體純度備注

氮氣99.5%

氧氣99.5%

符合ISO8573T

最大顆粒尺寸：5Mm無油空壓機+冷凍干燥機（處理

壓縮空氣

最大凝聚物含量：5mg/m3量ln?/min）

最大油含量:0.lmg/m3

第二部分激光切割工藝

切割工藝與下述因素關系緊密：

?激光模式

?激光功率

?焦點位置

?噴嘴高度

?噴嘴直徑

?輔助氣體

?輔助氣體純度

?輔助氣體流量

?輔助氣體壓力

?切割速度

?板材材質

?板材表面質量（如生銹、異物等）

與切割相關的各工藝參數(shù)如下圖所示。

隹占割縫寬

圖4：切割工藝參數(shù)

一、激光模式

激光器的模式對切割影響很大，切割時要求到達鋼板表面的模式較好。這與激光

器本身的模式和外光路鏡片的質量有直接的關系。

激光束橫截面上光強的分布情況稱為激光橫模。一般籠統(tǒng)地把橫模當作激光模

式。用符號TEMmn表示各種橫向模式。TEM表示橫向電磁波，m、n均為正整

數(shù)，分別表示在x軸和y軸方向上光強為零的那些點的序數(shù)，稱為模式序數(shù)。下圖示

出了幾種不同的激光束橫模的光斑。TEMOO模又稱基模，其光斑中任何一點光強都

不為零。若光斑在x方向上有一點光強為零，稱為TEM10模；在y方向上有一點光

強為零，稱為TEM01模。以此類推，模式序數(shù)m和n越大，光斑中光強為零的點的

數(shù)目越多。有不同橫向模式的激光束稱為多模。

?OCO::

TEMooTE徜1TEMoiTEMiOTEM11

圖5：模式光斑

上圖中，TEMOO模，稱為基模。TEM*oi模，是單環(huán)模，也叫準基模。為了與TEM01

區(qū)分，特地加上星號*。TEM01模與TEM10模其實可視為相同的模式，因為X、Y

軸原本就是人為劃分的。下面示出的是幾種模式的立體圖。

圖6：TEMOO模式立體圖

IEM2c

圖7：TEM20模式立體圖圖8：TEM23模式立體圖

圖9：多模

二、焦點位置

焦點位置是一個關鍵參數(shù)，應正確調節(jié)焦點位置。

1.焦點位置與切割面的關系

焦點位置示意圖特征

適用于5毫米以下薄碳鋼等。

噴嘴（切斷面）

零焦距

焦點在工件

切幅

表面

焦點在工件上表面，所以，切割光滑，下

表面則不光滑。

鋁材、不銹鋼等工件采用這種方式。

噴嘴（切斷面）

負焦距

焦點在工件

表面下切幅

焦點在中央，偏下部因此平滑面范圍較大，

切幅比零焦距的切幅寬，切割氣體流量較大，

穿孔時間較零焦距為長。

切割厚鋼板時采用（一般使用氧氣）。

噴嘴一厚鋼板切斷時，切斷用氧氣的氧化作用必

正焦距須從上面到底面。因厚板之故切幅要寬，這樣

焦點在工件的設定可得較寬的切幅。切斷面和瓦斯切斷類

表面上似，可以說是用氧氣吹斷，因此斷面較粗糙。

?V切幅

2.焦點位置對切割斷面的影響

表面1.5mm上表面0.5mm上表面2.5mm上

3.焦點尋找

焦點確定的方法和步驟：

1）取下噴嘴，Z軸下降，距板面2~3mm。

2）執(zhí)行尋找焦點子程序1991。

（CALL1991）

速率倍率設為100%。

3）移動Y軸到劃痕最細處。

4）計算焦點位置Zf

焦點位置為ZF=Z+YX0.5

其中：Z——當前Z軸坐標；Y——當前Y軸坐標。

5）裝上噴嘴，將焦點微調調至刻度5。

6）手動切換到隨動。

7）調節(jié)焦點，使Z軸坐標達到Zf的值，鎖緊切割頭。

此時焦點位于板面。

三、噴嘴

噴嘴形狀、噴嘴孔徑、噴嘴高度（噴嘴出口與工件表面之間的距離）等，均會影

響切割的效果。

圖10：噴嘴

1.噴嘴的作用

（1）防止熔漬等雜物往上反彈，穿過噴嘴，污染聚焦鏡片。

（2）控制氣體擴散面積及大小，從而控制切割質量。

圖11：沒有噴嘴時，氣體噴出的情況

圖12：有噴嘴時，氣體噴出的情況

2.噴嘴與切割品質的關系

噴嘴出口孔中心與激光束的同軸度是影響切割質量優(yōu)劣的重要因素之一，工件越

厚，影響越大。

當噴嘴發(fā)生變形或有熔漬時，將直接影響同軸度。

故噴嘴應小心保存，避免碰傷以免造成變形。噴嘴形狀和尺寸的制造精度高，安

裝時應注意方法正確。

如果由于噴嘴的狀況不良，從而需要要改變切割時的各項條件，那就不如更換新

的噴嘴。

如果噴嘴與激光不同軸，將對切割質量產生如下影響。

a.對切割斷面的影響

如圖所示，當輔助氣體從噴嘴吹出時，氣量不均勻，出現(xiàn)一邊有熔漬，另一邊沒

有的現(xiàn)象。對切割3mm以下薄板時，它的影響較小，切割3mm以上時，影響較嚴重,

有時無法切透。

左邊吹氣量小

右邊吹氣量小

圖13：同軸度對切割斷面的影響

b.對尖角的影響

工件有尖角或角度較小時，容易產生過熔現(xiàn)象，厚板則可能無法切割。

c.對穿孔的影響

穿孔不穩(wěn)定，時間不易控制，對厚板會造成過熔，且穿透條件不易掌握。對薄板

影響較小。

3.噴嘴孔與激光束同軸度的調整

噴嘴孔與激光束的同軸度的調整步驟如下：

（1）在噴嘴的出口端面涂抹印泥（一般以紅色為好），將不干膠帶貼在噴嘴出口

端面上。如圖所示。

白色不干膠帶

圖14：調整同軸步驟1

（2）用10~20瓦的功率，手動打孔。

（3）取下不干膠紙，注意保持其方向，以便與噴嘴相比照。

正常情況下，不干膠紙上會留下一個黑點，是被激光燒損的。但如果噴嘴

中心偏離激光束中心過大時，將無法看到這個黑點（激光束射到了噴嘴的

壁上）。

圖15：噴嘴偏離太大

（4）如果打出的中心點時大時小，請注意條件是否一致，聚焦鏡是否松動。

正確

圖16：聚焦鏡松動

（5）注意觀察黑點偏離噴嘴中心的方向，調整噴嘴位置。

圖17：調整噴嘴位置，與激光束同軸

4.噴嘴孔徑

孔徑大小對切割質量和穿孔質量有關鍵性的影響。

如果噴嘴孔徑過大，切割時四處飛濺的熔化物，可能穿過噴嘴孔，從而濺污鏡片。

孔徑越大，幾率越高，對聚焦鏡保護就越差，鏡片壽命也就越差。

令噴嘴孔徑的比較

噴嘴孔徑氣體流速（量）熔融物去除能力

小快大

大慢小

令噴嘴61、。1.5的差異

厚板（3mm以上）

噴嘴直徑薄板（3mm以下）切割功率較高，散熱時間較長，切割時

間亦較長

61切割面較細氣體擴散面積小，不太穩(wěn)定，基本可用

61.5切割面會較粗，轉角地方易有氣體擴散面積大，氣體流速較慢，切割

溶漬時較穩(wěn)定

5.噴嘴高度的調整

噴嘴高度即噴嘴出口與工件表面之間的距離。此高度設定范圍在0.5mm?4.0mm

之間，而切割時一般我們會設定在0.7mm?1.2mm,過低會導致噴嘴易碰撞到工件表

面，過高會降低輔助氣體的濃度和壓力，造成切割質量下降。打孔時此高度要比切割

高度略高，高度設定在3.5mm?4mm，這樣有效防止打孔時所產生的飛濺物污染聚焦

鏡。

圖18：噴嘴高度

圖19：電容傳感器控制盒

調節(jié)EG495調節(jié)盒上帶刻度電位器，其刻度基本上代表噴嘴與板面之間的距離

（0.5到10mm）。比如，刻度為1.5,噴嘴與板面之間的距離為1.6mm左右。

令隨動傳感器

隨動傳感器的調整，務必按照要領進行。

四、切割速度

切割速度直接影響切口寬度和切口表面粗糙度。不同材料的板厚，不同的切割

氣體壓力，切割速度有一個最佳值，這個最佳值約為最大切割速度的80%。

1.速度過快

如果切割速度過快，可能造成以下后果。

1）可能無法切透，火花亂噴。

2）有些區(qū)域可以切透，但有些區(qū)域無法切透。

3）整個斷面較粗，但不產生溶漬。

4）切割斷面呈斜條紋路，且下半部產生溶漬。

噴嘴

輔助氣體

無法即時切

斷造成斜角熔漬

圖20：速度過快

2.速度太慢

1）造成過熔，切斷面較粗糙。

2）切縫變寬，尖角部位整個溶化。

3）影響切割效率。

3.確定適當?shù)那懈钏俣?/p>

令從切割火花判斷進給速度可否增快或減慢

1）火花由上往下擴散

圖21：切割速度正常

2）火花若傾斜時，則說明切割速度太快。

圖22：切割速度過快

3）火花呈現(xiàn)不擴散且少，聚集在一起，則說明速度太慢。

圖23：切割速度過慢

令進給速度適當

如圖，切割面呈現(xiàn)較平穩(wěn)線條，且下半部無熔漬產生。

圖24：切割速度正常

五、切割輔助氣體

選擇切割輔助氣體的種類和壓力時，宜從以下幾方面考慮：

?一般使用氧氣切割普通碳鋼，低壓打孔，高壓切割。

?一般使用空氣切割非金屬，低壓和高壓的壓力可調為一樣，打孔時間設為

Oo

?一般使用氮氣切割不銹鋼等，低壓氧氣打孔。

?氣體純度越高，切割質量越好。切割低碳鋼板純度至少99.6%以上，切割

12mm以上碳鋼板建議氧氣純度99.9%以上。切割不銹鋼板氮氣純度應達

到99.6%以上。氮氣純度越高，切割斷面質量越好。如果切割用氣體純度

不合要求，不但影響切割的質量，而且會造成鏡片的污染。

熱熱

v八Z

1、輔助氣體對切割質量的影響

(1)氣體有助于散熱及助燃，吹掉溶漬，改善切割面品質。

(2)氣體壓力不足時，對切割的影響

a.切割面產生熔漬。

b.切割速度無法增快，影響效率。

(3)氣體壓力過高時，對切割質量的影響

a.氣流過大時，切割面較粗，且縫較寬。

b.氣流過大時，造成切斷部分熔化，無法形成良好切割質量。

2、輔助氣體對穿孔的影響

(1)氣體壓力過低時，不易穿透，時間增長。

(2)氣體壓力太高時，造成穿透點熔化，形成大的熔化點。

所以薄板穿孔的壓力較高，厚板則較低。

3、切割有機玻璃時的輔助氣體

有機玻璃屬于易燃物，為了得到透明光亮的切割面，所以選用氮氣或空氣，阻燃。

如果選用氧氣，則切割質量不夠好。

必須在切割時根據(jù)實際情況進行選擇合適的壓力。氣體壓力越小，切割光亮度越

高，產生的毛斷面越窄。但氣體壓力過低，造成切割速度慢，板面下出現(xiàn)火苗，影響

下表面質量。

六、激光功率

激光切割所需要的激光功率主要取決于切割類型以及被切割材料的性質。汽化

切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧氣切割最小。激光功率對切割厚度、

切割速度和切口寬度等有很大影響。一般激光功率增大，所能切割材料的厚度也增加,

切割速度加快，切口寬度也有所加大。

激光功率對切割過程和質量有決定性的影響。

1.功率太小無法切割

圖25：功率太小

2.功率過大，整個切割面熔化

圖26：功率過大

3.功率不足，切割后產生熔漬

輔助氣體

圖27：功率不足

4.功率適當，切割面良好，無熔漬

圖28：功率適當

七、切割參數(shù)的總結

切割效果取決于具體的工藝參數(shù)，總結如下:

輸入?yún)?shù)輸出參數(shù)

系統(tǒng)參數(shù)?切割邊沿的質量

?光路?切口寬度

?鏡片數(shù)量

?系統(tǒng)概念

激光束參數(shù)

?強度

?光斑尺寸

工藝參數(shù)

?每單位長度的能量

?焦點位置

?氣體參數(shù)

?噴嘴參數(shù)

材料參數(shù)

?材料特性

?材料的表面

表5：激光切割主要參數(shù)

參數(shù)內容

給定激光功率密度和材料，切割速度符合一個經驗公式，只要在閥值以上，材

料的切割速度與激光功率成正比，即增加功率密度，可提高切割速度，切割速度同

切樣與被切割材料密度和厚度成反比，提高切割速度的因素：

割(1)提高功率(500-3000w);

速(2)改變光束模式；

度(3)減小聚焦光斑大小(如采用短焦距透

對金屬材料］其他工藝變量保存不變，激光切割速度可以有一個相對調節(jié)范圍而仍

能保持較滿意的切割質量，這種調節(jié)范圍在切割薄金屬時顯得比較寬。

激光束聚光后光斑大小與透鏡焦長成正比，光束經短焦長透鏡聚焦后光斑尺寸很

小，焦點處功率密度很高，對材料切割很有利，但它的不利之外是焦深很短，調節(jié)

焦

余量很小，一般比較適用于高速切割薄材，對于厚工件，由于長焦長透鏡有較寬焦

點

深，只要具有足夠功率密度，用來對它切割比較合適，由于焦點處功率密度最高，

位

在大多數(shù)情況下，切割時，焦點位置剛處于工件表面，或稍在工件表面之下，確保

置

焦點與工件相對位置恒定是獲得穩(wěn)定的切割質量的重要條件，有時透鏡工作中因冷

卻不善而受熱從而引起焦長變化，這就需及時調整焦點位置。

輔助氣體與激光光束同軸噴處，保護透鏡免受污染并吹走切割區(qū)底部溶渣，對

輔助

非金屬和部分金屬材料，使用壓縮空氣或惰性氣體，清除溶化和蒸發(fā)材料，同時抑

氣體

制切割區(qū)過度燃燒。

大多數(shù)金屬激光切割則使用活性氣體(氧氣)，形成與灼熱金屬發(fā)生氧化放熱反

輔助

應，這部分附加熱量可提高切割速度1/3—1/2

氣體

當高速切割薄板材時，需要較高的氣體壓力防止切口背面沾渣，當材料厚度或

氣壓

切割速度較慢時，氣體壓力可以適當?shù)慕档汀?/p>

激光

激光功率大小和模式好壞都會對切割發(fā)生重要的影響，實際操作時，常常設置

輸出

最大功率以獲得高的切割速度或用以切割較厚的材料。

功率

上表顯示了可能影響切割效果的參數(shù)的大部分因素，下表列出了切割參數(shù)的典型

值，它們并不適用于具體的個案，但可用其作為參考，以找出正確的啟動參數(shù)。

表6：DC030不銹鋼切割參數(shù)典型值

材料厚度焦距焦點位激光器功切割速度氣體壓強噴嘴直徑噴嘴距板面

(mm)(inch)(mm)率(W)(m/min)N2(bar)①(mm)距離(mm)

15-0.5300028101.50.5

25-130008101.50.5

35-230004.75151.50.5

47.5-330003.817.520.7

57.5-430002.22020.7

610-530002202.20.7

812.5/15-630001.32030.7

1015-630000.552030.7

表7：DC030低碳鋼切割參數(shù)典型值

材料厚度焦距焦點位激光器功切割速度氣體壓強噴嘴直徑噴嘴距板面

(mm)(inch)(mm)率(W)(m/min)O2(bar)①(mm)距離(mm)

15075093.510.5

25-0.58007311

35-0.58004311

47.5230004.20.711

67.5230003.30.71.21

87.5230002.30.71.51

107.5230001.80.71.51

127.5230001.50.71.51

157.5230001.10.721

207.52.530000.70.72.41

表8：DCO25AlMg3N2切割參數(shù)典型值

材料厚度焦距焦點位激光器功切割速度氣體壓強噴嘴直徑噴嘴距板面

(mm)(inch)(mm)率(W)(m/min)O2(bar)①(mm)距離(mm)

27.5-2.525004.5-6.510-121.5叁1.0

37.5-3.525003.0-4.012-151.5蕓1.0

47.5-5.025001.5-2.012-162.0蕓1.0

57.5-5.025000.9-1.012-162.0工1.0

八、常見加工缺陷分析

1、碳鋼氧氣切割

M象原因解決方法

沒有毛刺，切割良好

功率正確

切割速度正確

切痕方向在底部偏離，切割底部較寬

切割速度太高降低切割速度

激光功率偏低提高激光功率

輔助氣體偏低提高氣體壓力

焦點位置偏高降低焦點位置

切縫底部兩側有類似熔渣的毛刺，水珠形

狀，容易去除

切割速度偏高調整切割速度

氣壓偏低提高氣體壓力

」L__焦點位置偏高

割縫底部兩側的熔渣粘在一起

■1焦點位置偏高

■1■降低焦點位置

割縫底部的兩側的熔渣很難清除切割速度太高

降低速度

輔助壓力偏低

提高氣體壓力

焦點位置偏高

調整焦點位置

氣體內有雜質

噩LJ使用符合純度要求的氣體

現(xiàn)象原因解決方法

僅在割縫底部的一側有毛刺

噴嘴中心不好

調整噴嘴中心

噴嘴孔不圓

■更換噴嘴

有藍色的等離子氣體產生，工件不能

割透

輔助氣體間接錯使用需要的輔助氣體