第二章 激光切割

1、第二章 激光切割n 2.1 激光切割技術(shù)概述；n 2.2 激光切割機(jī)理;n 2.3 激光切割的工藝分析;n 2.4 激光切割的質(zhì)量評價;n 2.5 影響激光切割質(zhì)量的因素;n 2.6 常用工程材料的激光切割;n 2.7 激光切割安全;n 2.8 激光切割技術(shù)的發(fā)展; 2.1 激光切割技術(shù)概述n 一、激光切割的切邊窄、工件變形小 激光束聚焦成很小光點(其最小直徑可小于0.1mm)。使焦點處達(dá)到很高的功率密度(可超過106W/cm2)。這時光束輸入(出光能轉(zhuǎn)換)的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被材料反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)散部分，材料很快加熱至汽化溫度，蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動。使孔洞近續(xù)形成寬度很窄(如0.

2、1mm左右)的切縫。切邊受熱影響很小基本沒有工件變形。2.1 激光切割技術(shù)概述n 二、激光切割是一種高能量密度可控性好的無接觸加工 首先，激光光能轉(zhuǎn)換成驚人的熱能保持在極小的區(qū)域內(nèi)，它可提供：窄的直邊割縫；最小的鄰近切邊的熱影響區(qū)；極小的局部變形。 其次，激光束對工件不施加任何力，它是無接觸切割工具，這就意味著：工件無機(jī)械變形；無刀具磨損，也談不上刀具的替換問題；切割材料無需考慮它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料硬度影響。 再次，激光束可控性強(qiáng)，并有高的適應(yīng)性和柔性，因而，與自動化裝備相結(jié)合很力便，容易實現(xiàn)切割過程自動化；由于不存在對切割工件的限制，激光束具有無限的仿形切割能力；與計算機(jī)結(jié)

3、合，可整張板排料，節(jié)省材料。 2.1 激光切割技術(shù)概述n 三、激光切割具有廣泛的適應(yīng)性和靈活性 與其它常規(guī)加工方法相比，激光切割具有更大的適應(yīng)性。 首先與其它熱切割方法相比，同樣作為熱切割過程，別的方法不能象激光束那樣集中能量于一個極小區(qū)域，結(jié)果導(dǎo)致切口寬、熱影響區(qū)大和較明顯的工件熱變形。激光能切割非金屬，而其它熱切割方法則不能。 其次，與機(jī)械沖壓加工相比，機(jī)械性沖、剪、鋸切加工需要剛性夾持工件，在運作硬、脆材料時會產(chǎn)生切割刀刃變形、毛刺和經(jīng)常性的磨刃和更換等困難，使用戶不得不考慮一次性投資雖高、但切割刃口不接觸工件的激光切割所帶來的種種優(yōu)越性。 再次，與熱切割和機(jī)械切割以外的其它力法比較，激

4、光切割也有其獨特之處。2.2 激光切割機(jī)理n 一、汽化切割 在高功率密度激光束加熱下，材料表面溫度升至沸點溫度的速度是如此之快，足以避免熱傳導(dǎo)造成的熔化，于是部分材料汽化作為蒸氣逸出部分材料作為噴出物從切縫底部被輔助氣體流吹走。這種切割機(jī)制需要108W/cm2左右的高功率密度， 一些不能熔化的材料如木材、碳素材料和某些塑料就是通過這種汽化切割機(jī)制切割成形的。 汽化切劑過程中，蒸氣隨時帶定熔化質(zhì)點和沖刷碎屑，形成孔洞。汽化過程中，大約40的材料化作蒸氣逸出，而有60%左右的材料則是以熔滴形式被氣流驅(qū)除的。2.2 激光切割機(jī)理n 二、熔化切割 材抖的熔化切割機(jī)制可概括為：當(dāng)入射的激光束功率密度超過

5、某一閾值后，光束照射點處材料內(nèi)部開始蒸發(fā)，形成孔洞。一旦這種小孔形成，它將作為黑體吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金屬壁所包圍，然后，與光束同軸的輔助氣流把孔洞周圍的熔融材料驅(qū)除、帶走。熔化機(jī)制切割所需的激光功率密度大約在107W/cm2左右，隨著工件移動，小孔按切割方向同步橫移形成一條切縫，激光束繼續(xù)沿著這條縫的前沿照射，熔化材料持續(xù)或脈動地從縫內(nèi)被吹掉。2.2 激光切割機(jī)理n 三、燃燒切割 材料表面在激光束照射下很快被加熱到燃點溫度，隨之與氧氣接觸發(fā)生激烈的燃燒反應(yīng)，放出大量熱量。在此熱量作用下，材料內(nèi)部形成充滿蒸氣的小孔，而小孔周圍為熔融金屬壁所包圍。燃燒物質(zhì)轉(zhuǎn)移成熔渣控制氧和金屬的燃

6、燒速度。顯然，氧化熔化切割過程存在著兩個熱源，即激光照射能和氧與金屬化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱能。很明顯，與惰性氣體比較，使用氧作輔助氣體可獲得較高的切割速度。在擁有兩個熱源的氧化熔化切割過程中，如果氧燃燒速度高于激光束移動速度，割縫顯得寬而粗糙；如果激光束行進(jìn)速度比氧燃燒速度快，則所得焊縫狹而光滑。2.2 激光切割機(jī)理n 四、控制斷裂切割 對易受熱破壞的脆性材料，通過激光束加熱進(jìn)行高速、可控地切斷，稱為控制斷裂切割機(jī)制。這種切割過程可概括為：激光束加熱脆性材料小塊區(qū)域，引起該區(qū)大的熱梯度和嚴(yán)重的機(jī)械變形，導(dǎo)致材料形成裂縫。只要保持均衡的加熱梯度，激光束可引導(dǎo)裂縫在任何需要的方向產(chǎn)生。2.3 激光切割的工

7、藝分析n 一、切割速度 對給定的激光功率密度和材料，切割速度符合于一個經(jīng)驗式，只要在閾值以上材料的切割速度與激光功率密度成正比，即增加功率密度可提高切割速度。這里所指的功率密度不但與激光輸出功率有關(guān)，而且與光束質(zhì)量主要是模式有關(guān)。另外，光束聚焦系統(tǒng)的特征，即聚焦后的光斑大小也有很大影響。 切割速度同樣與被切材料的密度（比重）和厚度成反比。 當(dāng)其他參數(shù)保持不變，提高切割速度的因素是： 提高功率（在一定范圍內(nèi)如500-2000W）; 改善光束模式（如從高階模到低階模直至TEM00）； 減小聚焦光斑尺寸（如采用短焦距透鏡聚焦）； 切割低起始蒸發(fā)能的材料（如塑料、有機(jī)玻璃等）； 切割低密度材料（如白松

8、木等）； 切割薄型材料。2.3 激光切割的工藝分析n 二、焦點位置 由于激光功率密度對切割速度影響很大，透鏡焦長的選擇是個重要問題。激光束聚焦后光斑大小與透鏡焦長成正比，光束經(jīng)短焦長透鏡聚焦后光斑尺寸很小，焦點處功率密度很高，對材料切割很有利；但它的不利之處是焦深很短，調(diào)節(jié)余量小，一般比較適合高速切割薄型材料。焦長對聚焦后光斑大小和焦深的影響見右圖。對厚工件來說，由于長焦長透鏡有較寬較深，只要具有足夠功率密度，用它來切割比較適合。 在確定使用何種焦長的透鏡以后，焦點與工件表面的相對位置對保證切割質(zhì)量尤為重要。當(dāng)焦點處于最佳位置時，割縫最小，效率最高，最佳切割速度可獲得最佳切割效果。2.3 激光

9、切割的工藝分析n 三、輔助氣體 一般情況下材料切割都需要使用輔助氣體，問題主要牽涉到輔助氣體的類型和壓力。通常，輔助氣體與激光束同軸噴出，保護(hù)透鏡免受污染并吹走切割區(qū)底部溶渣。對非金屬材料和部分金屬材料，使用壓縮空氣或惰性氣體，清除熔化和蒸發(fā)材料，同時抑制切割區(qū)過度燃燒。 對大多數(shù)金屬激光切割則使用活件氣體(主要是氧氣)，形成與熾熱金屬發(fā)生氧化放熱反應(yīng)，這部分附加熱量可提高切割速度1/3-1/2。 在確定輔助氣體的提下，氣體壓力大小是個極為重要的因素。當(dāng)高速切割薄型材料時，需要較高的氣體壓力以防止切口背面粘渣(熱粘渣到工件上還會損傷切邊)。當(dāng)材料厚度增加或切割速度較慢時，則氣體壓力宜適當(dāng)降低。

10、為了防止塑料切邊霜化也以較低氣體壓力切割力好。 激光切割實踐表明，當(dāng)輔助氣體為氧時，它的純度對切割質(zhì)量有明顯影響。氧純度降低2會降低切割速度50，并導(dǎo)致切口質(zhì)量顯著變壞。2.3 激光切割的工藝分析n 四、激光輸出功率 對連續(xù)波輸出的激光器來說，激光功率大小和模式好壞都會對切割發(fā)生重要影響。實際操作時，常常設(shè)置最大功率以獲得高的切割速度，或用以切割較厚材料。但光束模式(光束能量在橫斷面上的分布)有時顯得更加重要，而且，當(dāng)提高輸出功率時，模式常隨之稍有變壞。?？砂l(fā)現(xiàn)，在小于最大功率狀況下焦點處卻獲得最高功率密度，并獲得最佳切割質(zhì)量。在激光器整個有效工作壽命期間，模式并不一致。光學(xué)元件的狀況、激光工

11、作混合氣體細(xì)微的變化和流量波動，都會影響模式結(jié)構(gòu)。 綜上所述，雖然影響激光切割的因素較為復(fù)雜，但切割速度、焦點位置、輔助氣體壓力和激光功率及模式結(jié)構(gòu)是四個最重要變量。在切割過程中，如發(fā)現(xiàn)切割質(zhì)量明顯變壞，就首先要檢查以上討論的因素并及時加以調(diào)控。2.4 激光切割的質(zhì)量評價 n 一、激光切割質(zhì)量評估因素 2.4 激光切割的質(zhì)量評價 n 二、形狀誤差分類 2.4 激光切割的質(zhì)量評價 n 三、表面粗糙度與不平度計算 2.4 激光切割的質(zhì)量評價 n 四、激光切割質(zhì)量評價解釋 2.4 激光切割的質(zhì)量評價 n 四、激光切割質(zhì)量的判斷 2.4 激光切割的質(zhì)量評價 n 四、激光切割質(zhì)量的判斷 2.4 激光切割

12、的質(zhì)量評價 n 五、切割面質(zhì)量的判斷 2.4 激光切割的質(zhì)量評價 n 六、切割面粗糙度的計算 2.4 激光切割的質(zhì)量評價 n 七、輪廓不平度的計算 2.4 激光切割的質(zhì)量評價 n 八、評估切割質(zhì)量的參數(shù) 2.4 激光切割的質(zhì)量評價 n 九、燃燒切割不規(guī)則性及原因圖示2.4 激光切割的質(zhì)量評價 n 十、切割結(jié)果的評估（切割速度）2.4 激光切割的質(zhì)量評價 n 十、切割結(jié)果的評估（焦點位置1）2.4 激光切割的質(zhì)量評價 n 十、切割結(jié)果的評估（焦點位置2）2.5 影響激光切割質(zhì)量的因素 n 一、激光模式 激光束斷面能量分布稱為模式，用TEM表示，意指橫截面上電磁能分布。它直接與光束的聚焦能力有關(guān)，

13、相當(dāng)于機(jī)械切割刀具的尖銳度。最低階?；蚧Ｒ訲EM00表示，其斷面光束能量分布近似于高斯曲線分布。具有這種模式的光束可案焦到最小的光斑尺寸和有限場深的能量密度。軸向快流激光器的通常模式是TEM10或TEM01，被稱為低階模。它提供的光束兼顧了功率密度與場深兩者的良好組合。高階?；蚨嗄９馐鴶嗝嫣卣魇悄芰繌闹行南蛲鈹U(kuò)散，導(dǎo)致較大光斑尺寸和能量集中程度較低，與相同功率輸入的低階模激光束比，猶如一把鈍的切割工具，這種模式的激光器較適于厚板焊接與熱處理。 高斯模(TEM00)斷面光束能量達(dá)到高斯分布，它可以密集地聚焦獲得集中的最高能量。 低階模(TEM01)接近高斯模并具有它的大多數(shù)優(yōu)點。 多模高階模的

14、混合，均勻地分布能量適于厚板焊接與熱處理。2.5 影響激光切割質(zhì)量的因素n 二、激光束的偏振 就象任何類型電磁波傳輸一樣，激光束也具有相互成90°并與光束運行方向垂直的電、磁分矢量，在光學(xué)領(lǐng)域習(xí)慣上把電矢量方向作為激光束偏振方向。 在切割金屬和陶瓷時明顯表現(xiàn)出的切邊質(zhì)量不一致，如切縫、切邊粗糙度、垂直度的變化，就是偏振效應(yīng)引起的，它能不可預(yù)測地影響到瞬間藕合到材料的光束能量的吸收程度。 切割方向與光束偏振相平行時，切縫窄、切邊平直。當(dāng)切割方向從偏振面移開，就會導(dǎo)致能量吸收的遞減。切割速度越慢，切口越寬，切邊粗糙并與材料表面不垂直。一旦切割方向與偏振面完全垂直，則切邊不再傾斜，切割速度

15、越慢，切口越寬，切割質(zhì)量顯得越粗糙。 但對復(fù)雜形狀工件來說，很難始終保持偏振方向平行于切割方向，為此，現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)已配備一種光學(xué)鏡片，以獲得等量耦合消除不均一性，而不管切割方向如何，這種鏡片稱為圓偏振鏡。2.5 影響激光切割質(zhì)量的因素n 三、激光束的聚焦 利用激光束的熱量進(jìn)行切割，必須把激光器射出的原始光束經(jīng)過透鏡聚焦，才能形成高能量(功率)密度。 通常推薦曬化鋅(ZnSe)作為透鏡材料，兩面鍍防反射膜。曬化鋅鏡片既可透過CO2激光束進(jìn)行聚焦，也能透過通常作工件對中用的可見氦-氖(He-Ne)光。 激光器射出的原始光束通過透鏡會聚到焦點，隨后向遠(yuǎn)處散射，產(chǎn)生焦點(錐點)兩側(cè)的兩個錐形。 焦

16、點處功率密度最高。透鏡焦距長，聚焦光斑大，功率密度就相對較低，但焦深大，操作容許度也大；反之，透鏡焦距短，光斑小，功率密度高， 但焦深也小。2.5 影響激光切割質(zhì)量的因素n 四、脈沖波光束 通常用連續(xù)波激光束切割工件角部，由于切割機(jī)床運作需要，機(jī)床先減速后增速通過角區(qū)，使角周圍堆積起來的熱量無法及時散去，引起角部切割區(qū)材料過燒，影響切割質(zhì)量。 現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)所使用的激光器在連續(xù)波的基礎(chǔ)上也能發(fā)射脈沖波，這樣，當(dāng)切割角區(qū)時可使用同步脈沖波及時調(diào)節(jié)功率以與角區(qū)切割速度變化相適應(yīng)。當(dāng)角區(qū)切割完成再度在直線方向運行時，激光束將回復(fù)到連續(xù)波切割。使用同步脈沖波激光束，明顯地改善了工件角區(qū)切割質(zhì)量。2.

17、6 常用工程材料的激光切割 n 一、1mm厚不銹鋼板切割 2.6 常用工程材料的激光切割 n 二、16mm厚碳鋼板切割 2.6 常用工程材料的激光切割 n 三、8mm厚碳鋼板切割 2.6 常用工程材料的激光切割 n 四、10mm厚木板切割 2.6 常用工程材料的激光切割 n 五、1mm厚硅鋼片切割 2.7 激光切割安全 （1）激光對組織的損傷： 激光束照射眼睛和皮膚，導(dǎo)致組織損傷的因素可以包括熱效應(yīng)、光壓效應(yīng)和光化學(xué)相互作用過程。 （2）激光對眼睛的危害： 眼睛特別適合接收和感受光輻射。眼睛對于不同波長激光的吸收特性如圖。紫外和紅外激光可使角膜損傷，而可見與近紅外激光可使視網(wǎng)膜損傷，并且不可逆。 （3）激光對皮膚的危害： 一般低功率、低能量的激光輻射對眼