CO2雷射切割是用聚焦鏡將CO2雷射束聚焦在材料表面使材料熔化,同時用與雷射束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料,並使雷射束與材料沿一定軌跡作相對運動,從而形成一定形狀的切縫。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。
一、引言
CO2雷射切割是用聚焦鏡將CO2雷射束聚焦在材料表面使材料熔化,同時用與雷射束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料,並使雷射束與材料沿一定軌跡作相對運動,從而形成一定形狀的切縫。從二十世紀七十年代以來隨著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：對於中厚板採用氧乙炔火焰切割；對於薄板採用剪床下料,成形複雜零件大批量的採用衝壓,單件的採用振動剪。七十年代後,為了改善和提高火焰切割的切口質量,又推廣了氧乙烷精密火焰切割和等離子切割。為了減少大型衝壓模具的製造周期,又發展了數控步衝與電加工技術。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厚的碳鋼切割速度為1.6m/min；2mm厚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、無汙染。大大改善了操作人員的工作環境。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；就切割厚度而言難以達到火焰和等離子切割的水平。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傳統的切割工藝方法,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,由於我國社會主義市場經濟的發展,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位造技術以提高產品質量和生產效率。因此CO2雷射切割技術在我國獲得了較快的發展。
二、CO2雷射切割的工業應用
世界第一臺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,目前國際國內已有多家企業從事生產各種CO2雷射切割機以滿足市場的需求,有二維平板切割機、三維空間曲線切割機、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、澳大利亞HG Laser Lab公司等。目前國內能提供平板切割機的企業有上海團結普瑞瑪公司、瀋陽普瑞瑪公司、濟南捷邁公司、武漢楚天公司等。根據美國雷射工業應用權威雜誌「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臺,共11.74億美元。據不完全統計我國目前每年生產CO2雷射切割機近100臺,共1.5億元人民幣。雖然雷射切割的發展趨勢較快,但應用水平與發達國家相比差距較大。至2003年我國已在工業生產中使用的CO2雷射切割系統累計已達500臺左右,約佔全世界正運行系統總量的1.5%。
CO2雷射切割系統的購置者主要是兩類
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；一方面在初期對推廣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。八十年代我國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厚的低碳鋼板、<6mm厚的不鏽鋼板及<20mm厚的非金屬材料。對於三維空間曲線的切割,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,一般厚度<12mm的低碳鋼、<6mm厚的不鏽鋼,以節省製造模具的成本與周期。已採用的典型產品有：自動電梯結構件、升降電梯面板、工具機及糧食機械外罩、各種電氣櫃、開關櫃、紡織機械零件、工程機械結構件、大電機矽鋼片等。
第二類：裝飾、廣告、服務行業用的不鏽鋼（一般厚度<3mm）或非金屬材料（一般厚度<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厚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泵,在壁厚為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）採用三維雷射切割系統或配置工業機器人,切割空間曲線,開發各種三維切割軟體,以加快從畫圖到切割零件的過程。
（2）為了提高生產效率,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,切割低碳鋼厚度已超過30mm,並特別注意研究用氮氣切割低碳鋼的工藝技術,以提高切割厚板的切口質量。因此在我國擴大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。
雷射束的參數、機器與數控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厚度較大的零件,必須掌握和解決以下幾項關鍵技術：
1、焦點位置控制技術：
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,所以焦點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。對於高質量的切割,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、切割速度等因素原則上<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。