激光切割設備的組成
激光切割設備按激光工作物質不同，可分為固體激光切割設備和氣體激光切割設備；按激光器工作方式不同，分為連續(xù)激光切割設備和脈沖激光切割設備。激光切割大都采用CO2激光切割設備，主要由激光器、導光系統(tǒng)、數(shù)控運動系統(tǒng)、割炬、操作臺、氣源、水源及抽煙系統(tǒng)組成。典型的CO2激光切割設備的基本構成見圖1。
激光切割設備各結構的作用如下。
①激光電源供給激光振蕩用的高壓電源。
②激光振蕩器產生激光的主要設備
③折射反射鏡用于將激光導向所需要的方向。為使光束通路不發(fā)生故障，所有反射鏡都要用保護罩加以保護。
④割炬主要包括槍體、聚焦透鏡和輔助氣體噴嘴等零件。
⑤切割工作平臺用于安放被切割工件，并能按控制程序正確而精確地進行移動，通常由伺機電機驅動。
⑥割炬驅動裝置用于按照程序驅動割炬沿X軸和Z軸方向運動，由伺服電動機和絲桿等傳動件組成。
⑦數(shù)控裝置對切割平臺和割炬的運動進行控制，同時也控制激光器的輸出功率。
⑧操作盤用于控制整個切割裝置的工作過程。
⑨氣瓶包括激光工作介質氣瓶和輔助氣瓶，用于補充激光振蕩的工作氣體和供給切割用輔助氣體。
⑩冷卻水循環(huán)裝置用于冷卻激光振蕩器。激光器是利用電能轉換成光能的裝置，如CO2氣體激光器的轉換效率一般為20%，剩余的80%能量就變換為熱量。冷卻水把多余的熱量帶走以保持振蕩器的正常工作。
⑾空氣干燥器用于向激光振蕩器和光束通路供給潔凈的干燥空氣，以保持通路和反射鏡的正常工作。
激光切割用激光器
切割用激光器主要有CO2氣體激光器和釔鋁石榴石固體激光器（通常稱YAG激光器）。CO2激光器與YAG激光器的基本特性及主要用途見表1，切割加工性能比較見表2。
表1 CO2激光器與YAG激光器的基本特性及主要用途
激光器 波長/µm 振蕩形式 輸出功率 效率①/% 用途
CO2激光器 1.06 脈沖/連續(xù) 1.8kW脈沖能量0.1～150J 3 打孔、焊接、切割、燒刻
YAG激光器 10.6 脈沖/連續(xù) 20kW 20 打孔、切割、焊接、熱處理
①效率指投入激光器工作介質的能量與激光輸出能量之比。
表2 CO2激光器與YAG激光器的切割加工性能比較
項目 CO2激光器 YAG激光器
聚焦性能 光束發(fā)散角小，易獲得基模，聚焦后光斑小，功率密度高 光束發(fā)散角小，不易獲得單模式（僅超聲波Q開關YAG激光器能生產單模式），聚焦后光斑較大，功率密度低
金屬對激光的吸收率（常溫） 低 高
切割特性 好（切割厚度大，切割速度快） 較差（切割能力低）
結構特性 結構復雜，體積較小，對光路的精度要求高 結構緊湊，體積小，光路和光學零件簡單
維護保養(yǎng)性 差 良好
加工柔性 差（光束的傳達依靠反射鏡，難以傳送到不同加工工位） 好（可利用光纖維傳達光束，1臺激光器可用于多個工位，也能多臺同型激光器連用）
⑴CO2氣體激光器
CO2氣體激光器是利用封閉在容器內的CO2氣體（實際上是CO2、N2和He的混合體）作為工作物質經受激振蕩后產生的光放大。CO2氣體激光器的基本結構見圖2。氣體通過施加高壓電形成輝光放電狀態(tài)，借助設在容器兩端的反射鏡使其在反射鏡之間的區(qū)域不斷受激勵并產生激光。
CO2氣體激光器主要有氣體封閉容器式、低速軸流式、高速軸流式和橫流式（即放電方向、光軸方向與氣體流動方向成正交）等類型。激光切割一般使用軸流式CO2氣體激光器。
幾種CO2激光器的主要特性見表3。
⑵TAG固體激光器
YAG固體激光器的結構原理見圖3。它是借助光學泵作用將電能轉化的能量傳送到工作介質中，使之在激光棒與電弧燈周圍形成一個泵室。同時通過激光棒兩端的反光鏡，使光對準工作介質，對其進行激勵以產生光放大，從而獲得激光。
切割用YAG激光器的種類和主要用途見表4。
表4 切割用YAG激光器的種類和主要用途
項目
連續(xù)激光器 脈沖激光器
一般連續(xù)振蕩 Q開關振蕩
激勵用燈 電弧燈 — 閃光燈
Q開關 — 超聲波Q開關 —
脈沖寬度 — 50～500ms 0.1～20ms
重復頻率/kHz — ＜50 （1～500）×10-6
峰值頻率/kW — 10～250 1～20
平均輸出功率/W 1～1800 100 1000
脈沖能量/mJ — 1～30 100～150000
主要用途 用于碳素鋼、不銹鋼薄板（厚度小于3mm）的切割 陶瓷和鋁合金薄板（約1mm）的精密切割 銅、鋁合金板（厚度小于20mm）的精密切割
割炬
激光切割用割炬的結構見圖4。主要由割炬體、聚焦透鏡、反射鏡和輔助氣體噴嘴等組成。激光切割時，割炬必須滿足下列要求：
① 割炬能夠噴射出足夠的氣流；
② 割炬內氣體的噴射方向必須和反射鏡的光軸同軸；
③ 割炬的焦距能夠方便調節(jié)；
④ 切割時，保證金屬蒸氣和切割金屬的飛濺不會損傷反射鏡；
割炬的移動是通過數(shù)控運動系統(tǒng)進行調節(jié)，割炬與工件間的相對移動有三種情況：
①割炬不動，工件通過工作臺運動，主要用于尺寸較小的工件；
②工件不動，割炬移動；
③割炬和工作臺同時運動。
（1）聚焦透鏡
聚焦透鏡用于把射入割炬的平行激光束進行聚焦，以獲得較小的光斑和較高的功率密度。透鏡經常采用能透過激光波長的材料制造。固體激光常用光學玻璃，而CO2氣體激光因透不過普通玻璃，則采用ZnSe、GaAs和Ge等材料制造，其中最常用的是ZnSe。
透鏡的形狀有雙凸形、平凸形和凹凸形三種。透鏡的焦距對聚焦后光斑直徑和焦點深度有很大影響。聚焦光斑直徑do與透鏡焦距f和入射激光束直徑D之間的關系見圖5。由圖可見，當入射激光束直徑D值一定時，存在一個最佳的透鏡焦距f值使聚焦光斑直徑do最小。
焦點深度fd與透鏡焦距f的關系見圖6。隨著透鏡焦距的減小，焦點深度也變小。
對于激光切割，希望聚焦光斑直徑盡可能減小了。這樣，功率密度就能提高，有利于實現(xiàn)高速切割。但透鏡焦距減小時，焦點深度也較小，在切割厚度較大的板時難以獲得垂直度好的切割面。另外，透鏡焦距較小時，透鏡與工件之間的距離也縮小，在切割過程中透鏡易被濺沫等熔渣物質弄臟，影響切割的正常進行。因此，要求要根據(jù)切割厚度和切割質量要求等因素綜合考慮，確定適當?shù)慕咕唷?/p>
（2）反射鏡
反射鏡的功能是改變來自激光器的光束方向。對固體激光器發(fā)出的光束可使用由光學玻璃制造的反射鏡，而對CO2氣體激光切割裝置中的反射鏡常用銅或反射率高的金屬制造。反射鏡在使用過程中，為避免反射鏡受光照過熱而損壞，通常需用水進行冷卻。
（3）噴嘴
噴嘴用于向切割區(qū)噴射輔助氣體，其結構形狀對切割效率和質量有一定影響。圖7所示為激光切割常用的噴嘴形狀，而噴孔的形狀有圓柱形、錐形和縮放形等。噴嘴的選用一般根據(jù)切割工件的材質、厚度、輔助氣體壓力等再經試驗后確定。
激光切割一般采用同軸（氣流與光軸同心）噴嘴，若氣流與光束不同軸，則在切割時易產生大量飛濺。噴嘴孔的孔壁應光滑，以保證氣流的順暢，避免因出現(xiàn)紊流而影響切口質量。為了保證切割過程的穩(wěn)定性，一般應盡量減小噴嘴端面至工件表面的距離，常取0.5～2.0mm。
當用惰性氣體切割某些金屬時，為保護切口區(qū)金屬不致因空氣入侵（一般噴嘴在切割方向突然改變時常有空氣卷入切割區(qū)）而發(fā)生氧化或氮化，則宜使用加保護罩的噴嘴。加玻璃絨保護罩的噴嘴結構見圖8。
激光切割設備的技術參數(shù)
隨著激光切割應用范圍的日益擴大，為適應不同尺寸零件切割加工的需要，開發(fā)出許多具有不同特性和用途的切割設備。常用的主要有割炬驅動式切割設備、XY坐標切割臺驅動式切割設備、割炬-切割臺雙驅動式切割設備、一體式切割設備和激光切割機器人等。
（1）割炬驅動式切割設備
割炬驅動式切割設備中，割炬安裝在可移動式門架上并沿門架大梁橫向（Y軸方向）運動，門架帶動割炬沿X軸運動，工件固定在切割臺上。由于激光器與割炬分離設置，在切割過程中，激光的傳輸特性、沿光束掃描方向的平行度和折光反射鏡的穩(wěn)定性都會受到影響。
割炬驅動式切割設備可以加工尺寸較大的零件，切割生產區(qū)占地相對較小，易與其他設備組成生產流水線，但是定位精度只有±0.04mm。
割炬驅動式切割設備的典型結構見圖9。采用CO2氣體連續(xù)激光，光束從激光器傳送到割炬的距離為18mm。為了保持光束直徑在這一傳送距離內其形狀的變化不妨礙切割加工的進行，振蕩器反光鏡的組合應仔細設計。
2）XY坐標切割臺驅動式切割設備
XY坐標切割臺驅動式切割設備，割炬固定在機架上，工件置于切割臺上。切割臺按數(shù)控指令沿X、Y方向運動，驅動速度一般為0～1m/min（可調）或者0～5m/min（可調）。由于割炬相對工件固定，在切割過程中對激光束的調準對中影響小，因此能進行均一且穩(wěn)定的切割。當切割工作臺尺寸較小、機械精度較高時，定位精度為±0.01mm，切割精度相當好，特別適合于小零件的精密切割。另外也有采用X軸方向行程2300～2400mm、Y軸方向行程1200～1300mm的切割工作臺來加工較大尺寸的零件。
XY坐標切割臺驅動式切割設備的主要技術參數(shù)如下：
激光器 CO2氣體激光（半封閉直管式）
激光電源輸入電壓：200V AC
輸出電壓：0～30kV
最大輸出電流：100mA
激光輸出功率550W
切割臺行程 X軸2300mm，Y軸1300mm
切割臺驅動速度（分級可調） 0.4～5.0m/min，0.2～2.5m/min，0.1～1.3m/min,0.05
～0.6m/min
割炬高度（Z向）浮動行程180mm
加工板材的最大尺寸 6mm×1300mm×2300mm
控制設備數(shù)控方式
（3）割炬-切割臺雙驅動式切割設備
割炬-切割臺驅動式切割設備介于割炬驅動式與XY坐標切割臺驅動式之間。割炬安裝在門架上并沿門架大梁作橫向（Y向）運動，切割臺沿縱向驅動，兼有切割精度高和節(jié)省生產場地的優(yōu)點。定位精度為±0.01mm，切割速度調節(jié)范圍為0～20m/min，是應用較多的一種切割設備。其中較大的切割設備Y軸方向行程為2000mm，X軸方向行程為6000mm，可切割大尺寸零件。
激光振蕩器和割炬一起安裝在門架上，切割精度相當好。切割圓孔精度和切割速度的關系見圖10。
由圖可見，采用割炬-切割臺雙驅動式切割設備切割圓孔的精度相當好。而且這種設備的生產效率也很高，在厚1mm鋼板上，每分鐘能切割直徑為10mm的圓孔46個。
（4）一體式切割設備
一體式切割設備中，激光器安裝在機架上并隨機架縱向移動，而割炬同其驅動機構組成一體在機架大梁上橫向移動，利用數(shù)控方式可進行各種成形零件的切割。為彌補割炬橫向移動使光路長度變化，通常備有光路長度調整組建，能在切割區(qū)范圍內獲得均質的光束，保持切割面質量的同質性。
一體式切割設備一般采用大功率激光器，適用于中厚板（8～35mm）大尺寸鋼結構件的切割加工。表5列出一體式激光器切割設備的加工能力。LMX型一體式激光切割設備的主要技術參數(shù)見表6。
表5 一體式激光切割設備的加工能力
激光功率/kW 1.4 2 3 6
有效切割范圍/mm 1830×7000 2440×36000 4200～36000 2600～36000
切割碳素鋼最大厚度/mm 9 16 19 40
表6 LMX型一體式激光切割設備的主要技術參數(shù)
型號 LMX25 LMX30 LMX35 LMX40
有效切割寬度/mm 2600 3100 3600 4100
有效切割長度/mm 可根據(jù)用戶要求（標準6m）
軌距/mm 有效切割寬度+1700
軌道總長/mm 有效切割寬度+4800
切割機高度/mm 2200
割炬高度浮動行程/mm 200
驅動方式 齒條和齒輪雙側驅動式
切割進給速度/mm·min-1 6～5000
快速進給速度/mm·min-1 24000
割炬上下移動速度/mm·min-1 1200
原點返回精度/mm ±0.1
定位精度/mm ±0.0001
激光器（CO2氣體激光器） TF3500（額定功率3kW）或TF2500（額定功率2kW）
（5）激光切割機器人
激光切割機器人有CO2氣體激光和YAG固體激光切割機器人。通常激光切割機器人既可進行切割又能用于焊接。
1）CO2激光切割機器人
L-1000型CO2激光切割機器人結構簡圖見圖11。
L-1000型CO2激光切割機器人是極坐標式5軸控制機器人，配用C1000～C3000型激光器。光束經由設置在機器人手臂內的4個反射鏡傳送，聚焦后從噴嘴射出。反射鏡用銅制造，表面經過反射處理，使光束傳遞損失不超過0.8%，而且焦點的位置精度相當好。為了防止反射鏡受到污損，光路完全不與外界接觸，同時還在光路內充入經過濾器過濾的潔凈空氣，并具有一定的壓力，從而防止周圍的灰塵進入。
L-1000型CO2激光切割機器人的主要技術參數(shù)見表7。
表7 L-1000型CO2激光切割機器人的主要技術參數(shù)
項目 技 術 參 數(shù)
動作形態(tài) 極坐標式
控制軸數(shù) 5軸（θ、w、R、γ、β）
設置狀態(tài) 固定在地面或懸掛在門架上
工作范圍 θ軸/（°） 200
w軸/（°） 60
R軸/mm 1200
γ軸/（°） 360
β軸/（°） 280
最大動作速度 θ軸/（°）·s-1 90
w軸/（°）·s-1 70
R軸/mm·s-1 90
γ軸/（°）·s- 360
β軸/（°）·s- 360
手臂前段可攜帶質量/kg 5
驅動方式 交流伺服電機伺服驅動
控制方式 數(shù)字伺服控制
位置重復精度/mm ±0.5
激光反射鏡數(shù)量 4
激光進入口直徑/mm 62
輔助氣體管路系統(tǒng) 2套
光路清潔用空氣管路系統(tǒng) 1套
激光反射鏡冷卻水系統(tǒng) 進、出水各1套
機械結構部分的質量/kg 580
2）YAG固體激光切割機器人
日本研制的多關節(jié)型YAG激光切割機器人的結構見圖12。
多關節(jié)型YAG激光切割機器人是用光纖維把激光器發(fā)出的光束直接傳送到裝在機器人手臂的割炬中，因此比CO2氣體激光切割機器人更為靈活。這種機器人是由原來的焊接機器人改造而成的，采用示教方式，適用于三維板金屬零件，如轎車車體模壓件等的毛邊修割、打孔和切割加工。
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