一、CO2雷射介紹
CO2雷射切割是用聚焦鏡將CO2雷射束聚焦在工件表面使其熔化,同時用與雷射頭同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料,並使雷射頭與材料沿一定軌跡作相對運動,從而形成一定形狀的切縫。從七十年代以來隨著CO2雷射器及數控技術的不斷完善和發展,目前已成為工業上板材切割的一種先進的加工方法。在五、六十年代作為板材下料切割的主要方法中︰對於中空板採用乙炔火焰切割；對於薄板採用剪床下料,成形複雜零件大批量的採用,單件的採用振動剪。七十年代後,為了改善和提升火焰切割的切口質量,又推展了氧乙烷精密火焰切割和等離子切割。為了減少大型沖壓模具的製造週期,又發展了數位步衝與電加工技術。各種切割下料方法都有其有缺點,在工業生產中有一定的適用範圍。
CO2雷射切割技術比其他方法的明顯優點是︰（1）切割質量好。切口寬度窄（一般為0.1--0.5mm）、精度高（一般孔中心距誤差0.1--0.4mm,輪廓尺寸誤差0.1--0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般Ra為12.5--25μm）,切縫一般不需要再加工即可焊接。（2）切割速度快。例如採用2KW雷射功率,8mm濃的碳鋼切割速度為1.6m/min；2mm濃的不鏽鋼切割速度為3.5m/min,熱影響區小,變形極小。（3）清潔、安全、無污染。大大改善了作業員的工作環境。當然就精度和切口表面粗糙度而言,CO2雷射切割不可能超過電加工；就切割濃度而言難以達到火焰和等離子切割的水準。但是就以上顯著的優點足以證明︰CO2雷射切割已經和正在取代一部分道統的切割工藝方法,特別是各種非金屬材料的切割。它是發展迅速,應用日益廣泛的一種先進加工方法。
九十年代以來,由於市場經濟的發展,企業間競爭激烈,每個企業必須根據自身條件正確選擇某些先進製造技術以提升產品性量和生產效率。因此CO2雷射切割技術獲得了較快的發展。
二、CO2雷射切割的工業應用
世界第一台CO2雷射切割機是二十世紀七十年代的誕生的。三十多年來,由於應用領域的不斷擴大,CO2雷射切割機不斷改進,目前已有多家從事生產各種CO2雷射切割機以滿足市場的需求,有二D平板切割機、三D空間曲線切割機、管子切割機等。國外知名企業有德國Trumpf公司、義大利Prima公司、瑞士Bystronic公司、日本Amada公司、MAZAK公司、NTC公司、澳洲HG Laser Lab公司等。根據美國雷射工業應用威權雜誌“Industrial Laser Solution”2000年度報告統計︰1999年全世界共銷售的雷射切割系統（主要是CO2雷射切割系統）為3325台,共11.74億美元。據其統計中國目前每年生產CO2雷射切割機近1000台,近6億元新台幣。雖然雷射切割的發展趨勢較快,但應用水準與發達國家相比仍有差距。至2003年中國已在工業生產中使用的CO2雷射切割系統累計已達5000台左右,約占全世界正營運系統總量的30%。
CO2雷射切割系統的構造主要是兩類
單位︰一類是大中型製造企業,這些企業生產的產品中有大量板材需要下料、切料,並且具有較強的經濟和技術實力；另一類單位是加工站（國外稱Job Shop）,加工站是專門對外承接雷射加工業務的,自身無主導產品。它的存在一方面可滿足一些中小企業加工的需要；一方面在初期對推展應用雷射切割技術起到宣傳示範的作用。1999年美國全國共有雷射加工站2700家,其中51%從事雷射切割工作。八十年代臺灣雷射加工站主要從事雷射熱處理工作,九十年代後,雷射切割及攻站逐步增加。在此基礎上隨著我國大中型企業體制改革的深入和經濟實力的增強,越來越多的企業將採用CO2雷射切割技術。
從目前國內應用情況分析,CO2雷射切割廣泛應用於<12mm濃的低碳鋼板、<6mm濃的不鏽鋼板及<20mm濃的非金屬材料。對於三D空間曲線的切割,在汽車、航空工業中也開始獲得了應用。目前適合採用CO2雷射切割的產品大體上可歸納為三類︰
第一類︰從技術經濟角度不宜製造模具的金屬鈑金件,特別是輪廓形狀複雜,批量不大,一般濃度<12mm的低碳鋼、<6mm濃的不鏽鋼,以節省製造模具的成本與週期。已採用的典型產品有︰自動電梯架構件、升降電梯面板、機床及糧食機械外罩、各種電氣柜、開關柜、紡織機械零件、工程機械架構件、大電機矽鋼片等。
第二類︰裝飾、廣告、服務行業用的不鏽鋼（一般濃度<3mm）或非金屬材料（一般濃度<20mm）的圖案、標記、字體等。如藝術照相冊的圖案,公司、單位、賓館、商場的標記,車站、碼頭、公共場所的中英文字體。
第三類︰要求均勻切縫的特殊零件。最廣泛應用的典型零件是包裝印刷行業用的模切版,它要求在20mm濃的木模板上切出縫寬為0.7~0.8mm的槽,然後在槽中鑲嵌刀片。使用時裝在模切機上,切下各種已印刷好圖形的包裝盒。國內近年來應用的一個新領域是石油篩縫管。為了擋住泥沙進入抽油幫浦,在厚度為6~9mm的合金鋼管上切出<0.3mm寬的均勻切縫,起割穿孔處小孔直徑不能>0.3mm,切割技術難度大,已有不少單位投入生產。
國外除上述應用外,還在不斷擴展其應用領域。（1）採用三D雷射切割系統或配置工業機器人,切割空間曲線,開發各種三D切割軟體,以加快從畫圖到切割零件的過程。（2）為了提升生產效率,研究開發各種專用切割系統,材料輸送系統,直線電機驅動系統等,目前切割系統的切割速度已超過100m/min。（3）為擴展工程機械、造船工業等的應用,切割低碳鋼濃度已超過30mm,並特別注意研究用氮氣切割低碳鋼的工藝技術,以提升切割厚度的切口質量。因此在國內擴大CO2雷射切割的工業應用領域,解決新的應用中一些技術難題仍然是工程技術人員的重要課題。
三、CO2雷射切割的幾項關鍵技術是光、機、電一體化的綜合技術。
雷射光束的參數、機器與數位系統的性能和精度都直接影響雷射切割的效率和質量。特別是對於切割精度較高或濃度較大的零件,必須掌握和解決以下幾項關鍵技術︰
1、雷射光束位置控制技術︰
雷射切割的優點之一是光束的能量密度高,一般>10W/cm2。由於能量密度與4/πd2成正比,所以雷射光斑直徑儘可能的小,以便產生一窄的切縫；同時焦點光斑直徑還和透鏡的焦深成正比。聚焦透鏡焦深越小,焦點光斑直徑就越小。但切割有飛濺,透鏡離工件太近容易將透鏡損壞,因此一般大功率CO2雷射切割工業應用中廣泛採用5〃~7.5〃〞(127~190mm)的焦距。實際焦點光斑直徑在0.1~0.4mm之間。對於高品質的切割,有效焦深還和透鏡直徑及被切材料有關。例如用5〃的透鏡切碳鋼,焦深為焦距的+2%範圍內,即5mm左右。因此控制焦點相對於被切材料表面的位置十分重要。顧慮到切割質量、切割速度等原素,原則上<6mm的金屬材料,焦點在表面上；>6mm的碳鋼,焦點在表面之上；>6mm的不鏽鋼,焦點在表面之下。具體尺寸由實驗確定。
在工業生產中確定光束位置的簡便方法有三種︰（1）列印法︰使雷射頭(可調)從上往下運動,在壓克力上進行雷射光束測試,測試直徑最小處為光束。（2）斜板法︰用和垂直軸成一角度斜放的塑膠板使其水準拉動,尋找雷射光束的最小處為光束。（3）藍色火花法︰去掉噴嘴,吹空氣,將脈波雷射打在不鏽鋼板上,使雷射頭從上往下運動,直至藍色火花最大處為焦點。
對於飛行光路的切割機,由於光束發散角,切割近端和遠端時光程長短不同,聚焦前的光束尺寸有一定差別。入射光束的直徑越大,焦點光斑的直徑越小。為了減少因聚焦前光束尺寸變化帶來的焦點光斑尺寸的變化,國外雷射切割系統的製造商提供了一些專用的裝置供用戶選用︰
（1）平行光管。這是一種常用的方法,即在CO2雷射器的輸出端加一平行光管進行擴束處理,擴束後的光束直徑變大,發散角變小,使在切割工作範圍內近端和遠端聚焦前光束尺寸接近一致。
（2）在切割頭上增加一獨立的移動透鏡的下軸,它與控制噴嘴到材料表面距離（stand off）的Z軸是兩個相互獨立的部分。當機床工作台移動或光軸移動時,光束從近端到遠端F軸也同時移動,使光束聚焦後光斑直徑在整個加工區域內保持一致。
（3）控制聚焦鏡（一般為金屬反射聚焦系統）的水壓。若聚焦前光束尺寸變小而使焦點光斑直徑變大時,自動控制水壓改變聚焦曲率使焦點光斑直徑變小。
（4）飛行光路切割機上增加x、y方向的補償光路系統。即當切割遠端光程增加時使補償光路縮短；反之當切割近端光程減小時,使補償光路增加,以保持光程長度一致。
2.切割穿孔技術︰
任何一種熱切割技術,除少數情況可以從板邊緣開始外,一般都必須在板上穿一小孔。早先在雷射沖壓複合機上是用沖頭先沖出一孔,然後再用雷射從小孔處開始進行切割。對於沒有沖壓裝置的雷射切割機有兩種穿孔的基本方法︰
（1）爆破穿孔︰(Blast drilling)
材料經連續雷射的照射後在中心形成一凹洞,然後由與雷射束同軸的氧流很快將熔融材料去除形成一孔。一般孔的大小與厚度有關,爆破穿孔平均直徑為板濃的一半,因此對較厚的板爆破穿孔孔徑較大,且不圓,不宜在要求較高的零件上使用（如石油篩縫管）,只能用於廢料上。此外由於穿孔所用的氧氣壓力與切割時相同,飛濺較大。
（2）脈波穿孔︰（Pulse drilling）
採用高峰值功率的脈衝激光使少量材料熔化或汽化,常用空氣或氮氣作為輔助氣體,以減少因放熱氧化使孔擴展,氣體壓力較切割時的氧氣壓力小。每個脈波雷射只產生小的微粒噴射,逐步深入,因此厚板穿孔時間需要幾秒鐘。一旦穿孔完成,立即將輔助氣體換成氧氣進行切割。這樣穿孔直徑較小,其穿孔質量優於爆破穿孔。為此所使用的雷射器不但應具有較高的輸出功率；更重要的是光束的時間和空間特性,因此一般橫流CO2雷射器不能適應雷射切割的要求。此外脈波穿孔還須要有較可靠的氣路控制系統,以實現氣體種類、氣體壓力的切換及穿孔時間的控制。
在採用脈波穿孔的情況下,為了獲得高品質的切口,從工件靜止時的脈波穿孔到工件等速連續切割的過渡技術應以重視。從理論上講通常可改變加速段的切割條件︰如焦距、氣嘴位置、氣體壓力等,但實際上由於時間太短改變以上條件的可能性不大。在工業生產中主要採用改變雷射平均功率的辦法比較現實,具體方法有以下三種︰（1）改變脈波寬度；（2）改變脈波頻率；（3）同時改變脈波寬度和頻率。實際結果表明,第（3）種效果最好。
3.氣嘴設計及氣流控制技術︰
雷射切割鋼材時,氧氣和聚焦的雷射光束是透過噴嘴射到被切材料處,從而形成一個氣流束。對氣流的基本要求是進入切口的氣流量要大,速度要高,以便足夠的氧化使切口材料充分進行放熱回應；同時又有足夠的動量將熔融材料噴射吹出。因此除光束的質量及其控制直接影響切割質量外,噴嘴的設計及氣流的控制（如氣嘴壓力、工件在氣流中的位置等）也是十分重要的元素。
目前雷射切割用的氣嘴採用簡單的架構,即一錐形孔帶端部小圓孔。通常用實驗和誤差方法進行設計。由於噴嘴一般用 紫銅製造,體積較小,是易損零件,需經常更換,因此不進行流體力學計算與分析。在使用時從氣嘴側面通入一定壓力Pn(表壓為Pg)的氣體,稱氣嘴壓力,從氣嘴退場門噴出,經一定距離到達工件表面,其壓力稱切割壓力Pc,最後氣體膨脹到大氣壓力Pa。研究工作表明隨著Pn的增加,氣流流速增加,Pc也不斷增加。可用下列公式計算︰
V=8.2d2(Pg+1) V-氣體流速 L/min
d-氣嘴直徑 mm
Pg-氣嘴壓力（表壓）bar
對於不同的氣體有不同的壓力閾值,當氣嘴壓力超過此值時,氣流為正常斜激波,氣流速從亞音速向超音速過渡。此閾值與Pn、Pa比值及氣體分子的自由度（n）兩原素有關︰如氧氣、空氣的n=5,因此其閾值Pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar。當噴嘴壓力更高Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2時（Pn>4bar）,氣流正常斜激波封變為正激波,切割壓力Pc下降,氣流速度減低,並在工件表面形成渦流,削弱了氣流去除熔融材料的作用,影響了切割速度。因此採用錐孔帶端部小圓孔的氣嘴,其氧氣的氣嘴壓力常在3bar以下。
為進一步提升雷射切割速度,可根據空氣動力學原理,在提升氣嘴壓力的前提下不產生正激波,設計製造一種縮放型氣嘴,即拉伐爾（Laval）氣嘴。為方便製造可採用其的架構。德國漢諾威大學雷射中心使用500WCO2雷射器,透鏡焦距2.5〃,採用小孔氣嘴和拉伐爾氣嘴分別作了試驗,分別表示NO2、NO4、NO5氣嘴在不同的氧氣壓力下,切口表面粗糙度Rz與切割速度Vc的函數關係。從圖中可以看出NO2小孔氣嘴在Pn為400Kpa（或4bar）時切割速度只能達到2.75m/min（碳鋼板厚為2mm）。NO4、NO5二種拉伐爾氣嘴在Pn為500Kpa到600Kpa時切割速度可達到3.5m/min和5.5m/min。
應指出的是切割壓力Pc還是工件與氣嘴距離的函數。由於斜激波在氣流的邊界多次反射,使切割壓力呈週期性的變化。
第一高切割壓力區緊鄰氣嘴退場門,工件表面至氣嘴退場門的距離約為0.5~1.5mm,切割壓力Pc大而穩定,是目前工業生產中切割手扳常用的工藝參數。第二高切割壓力區約為氣嘴退場門的3~3.5mm,切割壓力Pc也較大,同樣可以取得好的效果,並有利於保護透鏡,提升其使用壽命。曲線上的其他高切割壓力區由於距氣嘴退場門太遠,與聚焦光束難以匹配而無法採用。
綜上所述,CO2雷射器切割技術正在國內工業生產中得到越來越多的應用,國外正研究開發更高切割速度和更厚鋼板的切割技術與裝置。為了滿足工業生產對質量和生產效率越來越高的要求,必須重視解決各種關鍵技術及執行質量標準,以使這一新技術在我國獲得更廣泛的應用。
參考文獻︰
1．CO2 Laser Cutting Powell.John 1998
2．Laser Gas Cutting Using Laval Nozzles H.Semrau,et.al Proceedings of ICALEO’88
3．Process Parameters for High Quality on-control Starting of Laser Cutting of Steel C.Z. Meijer, et, al SPI E VOL 3097
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