中低功率双CO₂激光切割机的开发与应用

1引目随着激光切割技术的迅猛发展，用激光切割机加工非金属板材的工艺己经比较成熟，在包装工业和广告等行业得到广泛的应用，但也存在许多不尽人意的方面。目前多数激光加工过程使用的是单头大功率激光器，运行成本和维护成本高，影响了先进的激光切割技术在中小企业的应用。根据市场情况开发和研制出了一种小功率双C2激光头切割机，采用两台100W的C2激光器，用双切割头对模切板进行双面同轴对切，实现了使用小功率激光器切割模切板，解决了切割缝隙宽度和切割缝表面不规整等技术问题，提高了非金属板材的切割质量，同时也解决了大功率激光切割机制造成本、维护成本和实际应用成本高的问题。该产品己经投入批量生产，并在木材加工、广告、包装等行业得到广泛应用。

C2激光切割机是光、机、电一体化的综合技术设备。激光束的参数、机器与数控系统的性能和精度都直接影响激光切割的效率和品质。在双C2激光刀模切割机的研发阶段解决了4个方面的关键技术问题：1）双激光切割机对切时，木板（非金属材料）切透后对剩余激光的处理，避免上下光路互相干扰；2）双激光头焦点的跟踪，它直接关系到模切板上下缝形和质量，由于采用非接触式切割，上下两个激光头与工件的要求一致，焦距到切割点的距离控制要求较高；）切割缝宽及精度，在一次性切透材料的情况下，一定要满足切割缝隙的宽度，且要求上下口一致，误差要小，按模切板的要求切割精度必须达到0.2mm/m；4）激光切割时，会产生大量的烟雾，需及时处理，以免影响光的传输效率。

本文就单激光头切割机和双激光头切割机切割同一性质的木质板材，在不同功率下进行了试验，对切割后模切板的质量进行了分析对比研究，找出最佳的切割功率效率和性价比，为产品的研发提供依据。

2单激光头切割机切割非金属板材的技术性问题由于激光的单色性好、发散角小，在理论上可聚焦到尺寸与光波波长相近的小斑点上，其焦点处的功率密度可达1071011w/cm2，温度可高达上万摄氏度，因此，它是一种理想的切割热源。激光切割以其切割范围广、速度高、切缝窄、质量好、热影响区小和加工柔性大等优点得到了极为广泛的应用，成为激光加工中最成熟的技术之一。

激光切割机是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件表面，使照射的材料迅速熔化或烧蚀气化，同时借助高压气体吹除碳化物，从而实现工件割开的一种热切割方法。其切割原理如所示。

2.1激光功率对切割深度的影响激光功率与切割速度的选择是影响切割质量和效率的关键因素。研究和实践应用表明，激光功率直接影响切割速度的大小，在一定条件下，激光器功率越大，切割速度也越大，从而大大提高生产效率，但同时也存在功率浪费和缝形问题。在研发中证明激光切割木质板材的性能与激光功率有很大的关系，也与木板的材质和湿度有关。使用单头大功率激光切割机，对木质板材（。

从的试验结果可知，在同一切割速度下，切割深度随着激光功率的增加而增加。这是因为功率越大，功率密度越大，单位时间内输入的能量多，切割的深度也就越大。单激光器切割木质模切板时，激光功率在100W以内，切割深度与功率基本成线性关系，而在100W以上，切割深度并未随功率的增大而发生太大的变化。其主要原因是C2激光对木质板切割深度有一个阈值效应，在激光功率达到切开材料的阈值之前，切割深度与功率成线性关系，而在激光功率超过阈值后，增大功率并不能达到线性增加切割深度的目的。

主要制约因素是激光功率大量被己经切开的板材表面吸收8，使模切板上表面缝形变宽；若要进一步切深木质板，就必须以更大功率为代价。因此在该行业内单头大功率激光切割机通常最小功率在600W以上，而市场上通用的切割机其激光功率在1200W左右。

2.2激光功率对木质板材缝宽和缝形的影响激光功率的大小和切割速度的快慢不但影响木质板材的缝宽，也影响着缝形，即切缝的上、下口尺寸随着功率和切割速度而变化。对于激光切割的切缝而言，上下口尺寸相等即矩形缝是最理想的，但实际应用中很难做到。用单头大功率C2激光器对20mm厚的木质板材进行切割，调节激光功率，分别为40，60，100，200，400，600和800W.试验结果如所示。

由可见，随着激光功率的增加，切缝上表面变宽，且上、下口的变化趋势不同。在低功率区，下口宽度略小于上口，加缝为倒梯形缝；在高功率区，上口宽度远大于下口，切缝为明显的梯形缝，这是由于材质表面吸收了激光功率，随着功率的增加，上口的变宽速率大于下口。在激光功率为100W左右时，下口的宽度基本等于上口的宽度，切缝接近矩形缝，缝宽在0.52mm内。

显然，用单激光切割机做模切板时，切割质量受到一定限制，激光加工完成后还需进行人工打磨，才能保证模切板的质量要求。

3小功率双CC2激光头切割机的原理和工艺研宄由于大功率单激光头切割机制造成本和运行成本高，在切割非金属板材时没有性价比上的优势，因此该类产品得不到广泛的应用。根据市场需求，采用一种新的切割方式，研究和开发出了一种新的小功率双C2激光头切割机，采用双向对切，其原理如所示。

该切割机充分利用了激光功率对木质材料切割深度的阈值效应，变单向切割为双向切割，在阈值范围内完成对厚度为20mm以内的木质模切板的切割，而无需增加激光功率造成阈值之上激光能量的浪费。激光功率与切割深度关系如所示。

对和进行比较分析，可以看到在相同的速度下利用双激光器对切制造模切板，要达到与大功率单激光切割机一样的效果所需功率只有后者的1/4，而切割质量却大大提高。利用双C2激光切割机制作模切板，影响加工质量的主要因素是上下激光器光路的调节、焦距对切缝的影响、精度补偿等问题。

3.1光路调节激光切割机工作时，如果切割激光头运动，很难保证上下激光头在一条轴线上。激光光路稍微偏移即会产生很大的误差。同时必须对运动的激光头进行强冷和排烟，在这个过程中很容易产生振动，也会带来误差。为了避免由激光器的运动产生的累积误差，采用激光头固定而让工件所处的工作台进行二维运行的设计，运行在计算机控制下进行，既保证了切割光路的稳定，又保证了切缝的一致性和整体图形的精度。光路的干扰得以避免，同时激光头易于跟踪。

宽度可调范围有一定的局限性，对于C2激光切割木质板材而言，其范围通常仅在0.300. 71mm，对于宽度达0.71mm以上的切缝其切割就难以完成，一般采用切缝对中心偏移两次的办法完成指标要求。在试验中将上下两个激光头的激光焦点正对加工工件表面，其切缝最小、切割性能最好。若需增加刀缝宽度，可采用正焦的方式使切缝变宽，但切割能力随之下降。针对不同的非金属加工材料，其切缝宽度能在0.350.71mm范围内调整，一般能满足制模要求，但在某些特殊情况下切缝就不能满足要求（如压痕线宽度为1.103.00mm）。为此采用了一种刀缝切割修正方式，即计算机软件调整功能，通过软件设置变一次切割为二次切割，从而获得所需切缝宽度。将设计图形中超出0. 75mm的线宽由单线变为双线，对原线进行中心偏移，按所需的宽度选择对称偏移量。方法易于实现，而且切缝宽度可以按工件要求任意设置，解决了模切板激光加工中对宽缝要求的现实问题。

3.3精度补偿机械传动的精度靠传动设备的精度来保证。对于一个封闭图形的切割，机械传动就存在正反转的问题，其侧隙就会影响加工精度。对于单一图形，其精度影响不大，而激光模切板平面图形往往由多个图形一次加工在平板上，这样其侧隙累积误差就很大。为了克服这些累积误差，从软件开发上做了技术创新，采用侧隙正反向补偿，这样即消除了侧隙对精度的影响，同时对传动系统中传动零件的精度要求降低。可以选择传动精度不是很高的同步带作为激光切割设备的传动机构，使成本大幅度降低，同样能达到极好的精度效果。具体的加工过程和补偿后的加工图形如所示。

为X轴电机反转，Y+为Y轴电机正转，为Y轴电机反转。由可见，X、Y轴运动在整个过程中各发生一次正反转。试验结果表明，如果侧隙为0.06mm，不进行补偿，其加工的结果如所示，下部图形向左偏移0.06mm，向上偏移0. 06mm，其中间线条发生偏移、不在一条线上，达不到加工工件所要求的精度。如果图形复制多份，最终造成的累积误差将导致严重变形，不能实现整体项目对精度的要求。而通过侧隙补偿完全能达到精度要求。

加工过程和补偿后的加工图形未补偿的加工图形4结论采用小功率双co2激光头切割非金属模切板，可成功解决中小功率002激光器切割木板深度有限的问题。采用光路固定、工作平台移动等技术，成功解决了飞行光路切割时切缝难以控制、切割速度不均匀等技术难题，能够达到一次性切割618mm厚的木板、切缝宽度在0.350.71mm可调、0. 71mm以上可设置的效果。因此小功率双C02激光器切割机在木材加工、广告、包装等行业可得到广泛的应用。

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