激光的应用领域
国外除上述应用外，还在不断扩展其应用领域。
⑴采用三维激光切割系统或配置工业机器人，切割空间曲线，开发各种三维切割软件，以加快从画图到切割零件的过程。
⑵为了提高生产效率，研究开发各种**切割系统，材料输送系统，直线电机驱动系统等，如今切割系统的切割速度已**过100m/min。
⑶为扩展工程机械、造船工业等的应用，切割低碳钢厚度已**过30mm，并特别注意研究用氮气切割低碳钢的工艺技术，以提高切割厚板的切口质量。因此在中国扩大CO2激光切割的工业应用领域，解决新的应用中一些技术难题仍然是工程技术人员的重要课题。
关键技术一
CO2激光切割的几项关键技术是光、机、电一体化的综合技术。
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质量。特别是对于切割精度较高或厚度较大的零件，必须掌握和解决以下几项关键技术：
焦点位置控制技术
焦点位置控制技术：激光切割的优点之一是光束的能量密度高，一般10W/cm2。由于能量密度与4/πd2成正比，所以焦点光斑直径尽可能的小，以便产生一窄的切缝；同时焦点光斑直径还和透镜的焦深成正比。聚焦透镜焦深越小，焦点光斑直径就越小。但切割有飞溅，透镜离工件太近容易将透镜损坏，因此一般大功率CO2激光切割工业应用中广泛采用5〃~7.5〃〞（127~190mm）的焦距。实际焦点光斑直径在0.1~0.4mm之间。对于高质量的切割，有效焦深还和透镜直径及被切材料有关。例如用5〃的透镜切碳钢，焦深为焦距的+2%范围内,即5mm左右。因此控制焦点相对于被切材料表面的位置十分重要。顾虑到切割质量、切割速度等因素，原则上6mm的碳钢，焦点在表面之上；6mm的不锈钢，焦点在表面之下。具体尺寸由实验确定。
在工业生产中确定焦点位置的简便方法有三种：⑴打印法：使切割头从上往下运动，在塑料板上进行激光束打印，打印直径较小处为焦点。⑵斜板法：用和垂直轴成一角度斜放的塑料板使其水平拉动，寻找激光束的较小处为焦点。⑶蓝色火花法：去掉喷嘴，吹空气，将脉冲激光打在不锈钢板上，使切割头从上往下运动，直至蓝色火花较大处为焦点。对于飞行光路的切割机，由于光束发散角，切割近端和远端时光程长短不同，聚焦前的光束尺寸有一定差别。入射光束的直径越大，焦点光斑的直径越小。为了减少因聚焦前光束尺寸变化带来的焦点光斑尺寸的变化，国内外激光切割系统的制造商提供了一些**的装置供用户选用：
⑴平行光管。这是一种常用的方法，即在CO2激光器的输出端加一平行光管进行扩束处理，扩束后的光束直径变大，发散角变小，使在切割工作范围内近端和远端聚焦前光束尺寸接近一致。
⑵在切割头上增加一独立的移动透镜的下轴，它与控制喷嘴到材料表面距离（stand off）的Z轴是两个相互独立的部分。当机床工作台移动或光轴移动时，光束从近端到远端F轴也同时移动，使光束聚焦后光斑直径在整个加工区域内保持一致。
⑶控制聚焦镜（一般为金属反射聚焦系统）的水压。若聚焦前光束尺寸变小而使焦点光斑直径变大时，自动控制水压改变聚焦曲率使焦点光斑直径变小。
⑷飞行光路切割机上增加x、y方向的补偿光路系统。即当切割远端光程增加时使补偿光路缩短；反之当切割近端光程减小时，使补偿光路增加，以保持光程长度一致。
刀模的加工制作
我们以蚀刻刀模的制作工艺流程为例来了解刀模的加工制作：蚀刻刀模工艺流程概述
1
接单
接单部门负责接收客户邮件，及并与客户沟通制作要求、报价、交货时间方式。待客户确认之后即开模具制作单，开始排版较终把图纸做成腐蚀**菲林，连工单一起交予腐蚀部。
2
腐蚀
腐蚀部门接到菲林与工单，确认板厚、刀高、材料、种类之后，即进行贴菲林晒版和曝光。最后经过药水处理之后显出模具雏形，如曝光工作未做好，需对图形进行修补之后才可进入腐蚀机内进行腐蚀。达到要求之后即可取出，洗去药水积炭之后，即可送入下一部门，所以腐蚀部是对模具的一个粗加工部门。
3
CNC雕刻
雕刻部门接到粗加工之后的刀模，目检确认之后即放入机台进行加工。由于模具大小及难易程度刀线长 短的不同，进行制作时间有所差距一般刀模1—4小时，特殊的需8小时甚至24小时以上才可完成 CNC 加工。完成之后班长进行检验，初步确定没有问题，才可送入QC。
4
QC
QC负责检验刀模尺寸、刀模刀锋等等，并负责制作检验报告，之后送入热处理。
5
根据材料不同分为两种处理方式
材料不含不干胶的进行一般热处理即可，不干胶材料除了进行热处理增加硬度之外，还要进行镀铁氟龙的处理，铁氟龙可使冲切的产品不粘刀模，但是由于工艺特殊，镀铁氟龙不会影响刀模的锋利度。由主管在检验报告上盖章之后刀模即可进行包装出货。
6
镜面处理
本处理可去除刀模刀锋侧边微小纹路，达到镜面效果，可有效解决产品冲切抽刀时带出毛刺粉尘的问题，使产品边缘平整光滑。适用于冲切的要求较高的产品。
模切工程师较全激光刀模知识
做为模切工程师，我们要知道哪些刀模的知识呢？
激光刀模材料简介：
●激光刀模材料的规格描述：
有厚度，高度，刃角，硬度，包装形式5方面。
1．厚度 一般使用单位mm，常用的刀料厚度为0.45mm，0.53mm，0.71mm，1.05mm。另外，一个通用的单位是pt，1pt=0.35146mm。以上厚度转化为pt单位后就是1.3pt，1.5pt，2pt，3pt。
2．高度 一般使用单位mm，高度的规格非常多，从8～100，根据自己选择即可。
3．刃角 使用角度单位。一般有30°，42°，52°的规格。
4．硬度 使用洛氏硬度（HRC）和维氏硬度（HV）两种，刀身的硬度一般在50 HRC以下，刀刃的硬度一般在55 HRC以上。
5．包装形式 有条刀和盘刀两种。长度一般为1m/条，100m/盘。
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激光刀模材料的材质及处理介绍：
◆ 选用优质的钢材：
钢分子结构紧密，刀身富有柔韧性，受弯后无太大的回弹，分子结构仍保持紧密的联结。
◆精湛的表面退碳处理：
将较脆的碳分子从模切刀的表层退去，使刀片受弯时不致表面脆裂，而导致刀身断裂。仿似一层软皮组织将刀身包起，更加便于弯曲成形。
◆ 优秀的热处理：
可以根据客户不同要求将模节刀调节至不同硬度，并将刀身调软便于弯曲而将刀峰调硬使之耐用。
◆较高的精度：
模切刀精度越高，模切机调压时间越短，机械磨损越低，出产速度越快，模切效果越好。特别是不干胶商标的模切，无精度的模切刀根本分歧格。
◆应拥有更多规格、型号供客户选择：
模切刀的选择应拥有更多规格、型号供客户选择：模切刀的选择应按三个原则去选择：
（1）出产是否长版；
（2）客户要求是否高；
（3）所模切的图案是否复杂。选择较适合的型号、规格的模切刀是模切质量保证的枢纽。
◆软刀刀峰经淬火处理的模切刀因为刀身软，刀峰硬，通常被称为软刀。
软刀的淬火处理面积的厚薄对耐用性影响很大，淬火面积大，承托刀身传递过来的机械压力的能力越大，反之较硬的刀峰与较软的刀身的接触面积较少时，硬的部门会向软的部门凹陷进去，或很易脱落，或承托力不足甚至减至零，即刀的寿命缩短。
当然也不能无穷制增加淬火层面积，淬火层面积太多会影响模切刀的弯曲。
因为淬火层的重要性，加上淬火层面积越大，刀的造价越高，所以有些无良出产商甚至用涂颜色的方法在刀峰涂上一层墨色就说是淬火处理，以欺骗用户。因此，选择合适的品牌，选择信誉良好的供给商就相称重要。
◆ 不同硬度的品种选择，有利于适应不同的需要。
有些品牌只有两种硬度的刀，对于模切较厚的材料根本不能胜任。另一方面，假如只有很硬的刀，对于图案复杂的木模成型又很成题目。或者有时用户委曲使用统一款刀于不同要求的模切出产上，难以达至较佳的效果。所以选择品种较多的品牌也是相称重要的。
选择优质的模切刀时应留意
根据所模切材料的厚薄而选择高峰刀及矮峰刀高峰刀既可以切薄纸又可以切厚纸，既可以用在单张的自动模切机上，又可以用在同时模切二、三张纸的手摇模切机上，使用范围很广。
但假如用户的产品单一，而且都是薄卡纸，如烟包出产厂，长期模切低于400克厚度的烟盒，那么这里建议选用矮峰刀，因这些厂通常用自动模切机，单张纸模切，速度快，数目大，矮峰刀可知足。
对于更长版更耐用的要求，由于矮峰刀的刀峰的刚度比高峰更高，所以承受压力更不乱，耐用性更持久。
选择优质的模切刀时应注意刀峰的横纹处理或直纹处理，横纹处理的刀对于模切纸张效果更佳，更耐用，而不乱性及精度更高，受弯后亦不易开裂，而直纹处理的刀表面似乎很锋利，便模切时切在钢板面上，时间不长便很易钝口。
同时，受弯后也易于开裂，所以除了模切胶片产品时，选用直纹刀较为顺畅外，模切纸质产品较好是选用横纹处理的模切刀。
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根据模切材料如何选择模切刀
选择合适的模切刀是制作激光刀模的第一步，而模切刀的选择是根据模切材料的特性决定的。模切材料一般分为普通纸板，硬质胶板，柔韧材料和回收纸，以下就各种材料选刀方法作扼要分析：
▲普通纸板
普通纸板包括常见的卡纸，瓦楞纸等。模切这类纸板选用普通的激光刀（刃角52o）就可以了，假如模切外形复杂，则需要选用刀身硬度稍低，弯曲机能较好的刀料。在模切过程中，假如需要模切压力小，则可以选用刃角为42 o的刀料。小的模切压力可减少刀刃磨损，延长模切寿命。
▲硬质胶板
硬质胶板包括PVC，PET，电子板，高密度材料，垫片等。模切这类材料需选用硬度大的刀料。普通的激光刀刀身硬度为39HRC，刀刃硬度为57HRC，若模切硬质胶板，则需选用刀身硬度达47HRC，刀刃硬度达59HRC的刀料。刃角越小，刀刃硬度越大的刀料，则耐磨性越好。
▲ 柔韧材料
柔韧材料包括铝箔，腹膜材料，软性塑胶等。模切这类材料需选用刃口经精细磨制的刀料，这类刀料刃面光滑，所需的模切压力小，能等闲穿过粘性材料，并减少切边拉丝起毛的题目。
▲回收纸
模切回收纸非常轻易产生纸粉，因此，应选择能减少模切过程中刀刃与纸的摩擦力的刀料。刃面经由抛光或涂层处理的刀料，非常光滑的，能适应这一要求；若刃角达到42度，则能进一步减少模切压力，从而令模切粉尘达到起码。
适合采用CO2激光切割的产品大体上可归纳为三类：
第一类：从技术经济角度不宜制造模具的金属钣金件，特别是轮廓形状复杂，批量不大,一般厚度；12mm的低碳钢、；6mm厚的不锈钢，以节省制造模具的成本与周期。已采用的典型产品有：自动电梯结构件、升降电梯面板、机床及粮食机械外罩、各种电气柜、开关柜、纺织机械零件、工程机械结构件、大电机硅钢片等。
第二类：装饰、广告、服务行业用的不锈钢（一般厚度3mm）或非金属材料（一般厚度20mm）的图案、标记、字体等。如艺术照相册的图案，公司、单位、宾馆、商场的标记，车站、码头、公共场所的中英文字体。
第三类：要求均匀切缝的特殊零件。较广泛应用的典型零件是包装印刷行业用的模切版，它要求在20mm厚的木模板上切出缝宽为0.7~0.8mm的槽，然后在槽中镶嵌刀片。使用时装在模切机上，切下各种已印刷好图形的包装盒。国内近几年来应用的一个新领域是石不锈钢花格图片油筛缝管。为了挡住泥沙进入抽油泵，在壁厚为6~9mm的合金钢管上切出0.3mm宽的均匀切缝，起割穿孔处小孔直径不能大于0.3mm，切割技术难度大，已有不少单位投入生产。
激光切割穿孔技术
任何一种热切割技术，除少数情况可以从板边缘开始外，一般都必须在板上穿一小孔。早先在激光冲压复合机上是用冲头先冲出一孔，然后再用激光从小孔处开始进行切割。对于没有冲压装置的激光切割机有两种穿孔的基该方法：
⑴爆破穿孔：（Blast drilling），材料经连续激光的照射后在中心形成一凹坑，然后由与激光束同轴的氧流很快将熔融材料去除形成一孔。一般孔的大小与板厚有关，爆破穿孔平均直径为板厚的一半，因此对较厚的板爆破穿孔孔径较大,且不圆，不宜在要求较高的零件上使用（如石油筛缝管），只能用于废料上。此外由于穿孔所用的氧气压力与切割时相同，飞溅较大。
⑵脉冲穿孔：（Pulse drilling）采用高峰值功率的脉冲激光使少量材料熔化或汽化，常用空气或氮气作为辅助气体，以减少因放热氧化使孔扩展，气体压力较切割时的氧气压力小。每个脉冲激光只产生小的微粒喷射，逐步深入，因此厚板穿孔时间需要几秒钟。一旦穿孔完成，立即将辅助气体换成氧气进行切割。这样穿孔直径较小，其穿孔质量优于爆破穿孔。为此所使用的激光器不但应具有较高的输出功率；更重要的是光束的时间和空间特性，因此一般横流CO2激光器不能适应激光切割的要求。此外脉冲穿孔还需要有较可靠的气路控制系统，以实现气体种类、气体压力的切换及穿孔时间的控制。在采用脉冲穿孔的情况下，为了获得高质量的切口，从工件静止时的脉冲穿孔到工件等速连续切割的过渡技术应以重视。从理论上讲通常可改变加速段的切割条件：如焦距、喷嘴位置、气体压力等，但实际上由于时间太短改变以上条件的可能性不大。在工业生产中主要采用改变激光平均功率的办法比较现实，具体方法有以下三种：⑴改变脉冲宽度；⑵改变脉冲频率；⑶同时改变脉冲宽度和频率。实际结果表明，*⑶种效果较好。
关键技术二
喷嘴设计及控制技术
激光切割钢材时，氧气和聚焦的激光束是通过喷嘴射到被切材料处，从而形成一个气流束。对气流的基本要求是进入切口的气流量要大，速度要高，以便足够的氧化使切口材料充分进行放热反应；同时又有足够的动量将熔融材料喷射吹出。因此除光束的质量及其控制直接影响切割质量外，喷嘴的设计及气流的控制（如喷嘴压力、工件在气流中的位置等）也是十分重要的因素。如今激光切割用的喷嘴采用简单的结构，即一锥形孔带端部小圆孔。通常用实验和误差方法进行设计。由于喷嘴一般用紫铜制造，体积较小，是易损零件，需经常更换，因此不进行流体力学计算与分析。在使用时从喷嘴侧面通入一定压力Pn（表压为Pg）的气体，称喷嘴压力，从喷嘴出口喷出，经一定距离到达工件表面，其压力称切割压力Pc,最后气体膨胀到大气压力Pa。研究工作表明随着Pn的增加，气流流速增加，Pc也不断增加。
可用下列公式计算：V=8.2d2(Pg+1）
V-气体流速 L/min
d-喷嘴直径 mm
Pg-喷嘴压力（表压）bar
对于不同的气体有不同的压力阈值，当喷嘴压力**过此值时，气流为正常斜激波，气流速从亚音速向**音速过渡。此阈值与Pn、Pa比值及气体分子的自由度（n）两因素有关：如氧气、空气的n=5，因此其阈值Pn=1bar×（1.2）3.5=1.89bar。当喷嘴压力更高Pn/Pa=（1+1/n)1+n/2时（Pn；4bar），气流正常斜激波封变为正激波，切割压力Pc下降，气流速度减低，并在工件表面形成涡流，削弱了气流去除熔融材料的作用，影响了切割速度。因此采用锥孔带端部小圆孔的喷嘴，其氧气的喷嘴压力常在3bar以下。
为进一步提高激光切割速度，可根据空气动力学原理，在提高喷嘴压力的前提下不产生正激波，设计制造一种缩放型喷嘴，即拉伐尔（Laval）喷嘴。为方便制造可采用如图4的结构。德国汉诺威大学激光中心使用500WCO2激光器，透镜焦距2.5〃，采用小孔喷嘴和拉伐尔喷嘴分别作了试验，见图4。试验结果如图5所示：分别表示NO2、NO4、NO5喷嘴在不同的氧气压力下，切口表面粗糙度Rz与切割速度Vc的函数关系。从图中可以看出NO2小孔喷嘴在Pn为400Kpa（或4bar）时切割速度只能达到2.75m/min（碳钢板厚为2mm）。NO4、NO5二种拉伐尔喷嘴在Pn为500Kpa到600Kpa时切割速度可达到3.5m/min和5.5m/min。应指出的是切割压力Pc还是工件与喷嘴距离的函数。由于斜激波在气流的边界多次反射，使切割压力呈周期性的变化。
关键技术三
**高切割压力区紧邻喷嘴出口，工件表面至喷嘴出口的距离约为0.5~1.5mm，切割压力Pc大而稳定，是如今工业生产中切割手扳常用的工艺参数。*二高切割压力区约为喷嘴出口的3~3.5mm，切割压力Pc也较大，同样可以取得好的效果，并有利于保护透镜，提高其使用寿命。曲线上的其他高切割压力区由于距喷嘴出口太远，与聚焦光束难以匹配而无法采用。
综上所述，CO2激光器切割技术正在中国工业生产中得到越来越多的应用,国外正研究开发更高切割速度和更厚钢板的切割技术与装置。为了满足工业生产对质量和生产效率越来越高的要求，必须重视解决各种关键技术及执行质量标准，以使这一新技术在中国获得更广泛的应用。
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