激光切割设备（上）

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激光切割设备的组成
2 V* X9 k2 [8 W" |' \; \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。

' i7 Y2 J4 G0 x7 R* D  x# c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。
/ r/ E; G, C+ i! o# M0 o# a0 i②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。
( B/ h4 G; y, Z6 ~: s$ i& s7 {④割炬  主要包括枪体、聚焦透镜和辅助气体喷嘴等零件。
( m0 {' n4 T! G- N6 o) x0 p$ K- s⑤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。
, A9 I/ ^: A) ]' _' y+ N6 k) p⑦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。
9 H- h- C3 ]: s& ^. B9 i0 y) L⑧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。
& d$ Q7 L1 |, B  E: ]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。
# h* K/ m5 t1 t3 d8 _激光切割用激光器
0 p  Q; |2 ~- C# s5 M3 R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。
' w" [6 @$ E9 c0 P0 r表1  CO2激光器与YAG激光器的基本特性及主要用途
; Q& g' Q) L0 D激光器
波长/µm
2 _' d* H4 ?; j( B4 _/ s振荡形式
1 ?% V% ~; S/ k+ q# v输出功率
2 @9 P  o* r: |8 W效率①/%
1 @% y- e. B$ |% H4 }& h% p用途
3 u& e; x/ q; |- V/ @% v0 J. r0 ICO2激光器
1.06
脉冲/连续
- V6 J- d/ a* i+ L! B1.8kW脉冲能量0.1～150J
  F- q7 \! i4 _9 c3
打孔、焊接、切割、烧刻
6 |' t' G; v5 D2 g0 [1 TYAG激光器
) m: `3 K% J% i) O, A* j10.6
) h: k3 J8 O% w" c  d脉冲/连续
20kW
- |3 f% v, ^% q, ^4 ]# i# u' D20
( V6 R; G* Y  d打孔、切割、焊接、热处理
) c) `, O0 Q9 _6 k( \2 K# O# k7 c①效率指投入激光器工作介质的能量与激光输出能量之比。
9 k6 d' f6 h9 c/ U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
" d6 Y# y6 E. `YAG激光器
聚焦性能
4 h3 r# q  s4 |1 |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
! S3 X7 r7 K! N金属对激光的吸收率（常温）
  R. G) _7 _6 v$ n7 G低
高
切割特性
好（切割厚度大，切割速度快）
# U% k; V: l' ~0 l+ d5 T较差（切割能力低）
结构特性
# q8 T/ m" y; P$ E结构复杂，体积较小，对光路的精度要求高
! K, [+ q8 ^8 e0 n$ F( N结构紧凑，体积小，光路和光学零件简单
& ~0 K  g- P, u维护保养性
3 ^' \- j( i4 ?差
% Q0 n1 l8 v, W9 x良好
4 D5 f( m+ \2 g% ^/ E加工柔性
( s$ N* h& M9 j$ ?$ I差（光束的传达依靠反射镜，难以传送到不同加工工位）
2 o/ o5 _7 v9 b& J3 b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。

% W" ?& W6 m/ k. k0 f⑵TAG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。
3 j$ ]& ?" ^- M: J
切割用YAG激光器的种类和主要用途见表4。
8 s& ?! v3 h. n# K/ A表4  切割用YAG激光器的种类和主要用途
项目
' S6 p2 |! X7 p& Q! _连续激光器
, r" \6 m5 S: Z脉冲激光器
$ m% v% e5 z7 ^8 A1 Z4 ?0 t一般连续振荡
Q开关振荡
激励用灯
电弧灯
—
7 r1 Z9 F  J$ |8 S% Z9 b2 t闪光灯
9 R- x: M/ w/ B  nQ开关
; K2 n4 W1 G/ o/ |3 H& M—
超声波Q开关
# h) x7 N2 E. n# \—
脉冲宽度
/ Q( Z$ D% |1 E& }) f—
, l+ W. f# L. A: K  z" N' }50～500ms
0.1～20ms
) N; D* R3 T# M& L, z, u- N; t8 W' ~重复频率/kHz
( [, e" Y( I; ~1 e2 r  a' ?—
＜50
（1～500）×10-6
5 Z0 x, [6 i  z; v7 X+ Z5 R3 a" a0 \8 c峰值频率/kW
—
10～250
1～20
+ ~$ x1 m' e( w! w  O9 W$ e1 {平均输出功率/W
1～1800
& S$ q/ ?2 D8 t100
1000
脉冲能量/mJ
" I- V- Y" k2 {# V+ I: A+ n—
; ?& `5 o& J* i0 x& s1～30
' i! B1 k6 V# v, t2 D100～150000
主要用途
" K6 M1 V2 W7 d9 w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
8 T0 h5 q! c: E! K3 `) Y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；
( K1 U4 U! ?& T) B% k& B② 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；
: {- x3 c( E/ o2 W7 i0 F④ 切割时，保证金属蒸气和切割金属的飞溅不会损伤反射镜；
  M% M& v1 \4 |# b. k6 t. {$ |; c
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：
  p0 j" g6 F$ \' f; }. R7 T0 e① 割炬不动，工件通过工作台运动，主要用于尺寸较小的工件；
$ A" [, s: g" J② 工件不动，割炬移动；
: K. i" m! B) `1 l8 N9 q) o③ 割炬和工作台同时运动。
文章关键词：

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