激光切割技術(shù)原理及應(yīng)用

1、激光切割技術(shù)原理及應(yīng)用、背景1917年，愛(ài)因斯坦就提出了受激輻射的概念。1960年，梅曼成功運(yùn)轉(zhuǎn)了世界上第一臺(tái)幾年后，高功率激光器。自此人們研究了激光的特性，開(kāi)始探索激光在加工領(lǐng)域中的應(yīng)用。的CO2、YAG激光器的發(fā)明，使激光加工變成現(xiàn)實(shí)。目前激光加工作為先進(jìn)制造技術(shù)已廣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、消除污染和減少泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要部門(mén)，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動(dòng)生產(chǎn)率、材料消耗等起到重要的作用。 如日本最先將激光切割系統(tǒng)引進(jìn)汽車(chē)制造中，大大提高的勞動(dòng)生產(chǎn)率。激光切割是應(yīng)用最廣泛的一種激光加工技術(shù),目前激光切割在激光加工中所占的比例超過(guò)了 70%。二、原理激光具有高亮度、高單色性、高相干性以及方向性好的特性。激光切

2、割原理一般指激光經(jīng)過(guò)聚焦后照射到材料上， 使材料溫度急速升高至熔化或汽化，隨著激光與被切割材料的相 對(duì)運(yùn)動(dòng)，在切割材料上形成切縫從而達(dá)到切割的目的。從激光與材料作用機(jī)理和過(guò)程來(lái)分，激光切割可分為熱加工和“冷加工”兩種。現(xiàn)在大 量用于激光加工的 CO2和YAG激光處于紅外波段，它們基于熱效應(yīng)，使工件升溫、熔化或,因而限制了邊緣強(qiáng)汽化，以完成各種加工，稱其為熱加工，但這種方式會(huì)損傷周?chē)鷧^(qū)域 度和產(chǎn)生精細(xì)特征的能力。紫外激光的波長(zhǎng)短、能量集中，通過(guò)直接破壞連接物質(zhì)組分的化 學(xué)鍵來(lái)達(dá)到加工目的，這種將物質(zhì)分離的過(guò)程是一個(gè)“冷”過(guò)程，熱效應(yīng)小，因此在精密 切割和微加工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。激光切割工藝相比

3、較傳統(tǒng)切割工藝的優(yōu)點(diǎn)在于: 1、激光加工屬于非接觸加工，因此無(wú)磨損，無(wú)機(jī)械應(yīng)力，無(wú)形變，無(wú)耗材，無(wú)原材料浪費(fèi) 2、激光能量集中，因此其熱影響區(qū)小，對(duì)非加工部位沒(méi)有影響，工件熱變形極小 3、激光能量密度高，加工速度快，生產(chǎn)效率高 4、激光便于導(dǎo)向、聚焦、發(fā)散等，可以得到不同的光斑尺寸和功率密度，且激光易與數(shù)控系統(tǒng)配合，加工方法靈活，因此可以完成任何復(fù)雜的加工，如微細(xì)加工和局部選擇加工 5、激光加工不受電磁干擾，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠 6、激光加工無(wú)噪聲、無(wú)污染，對(duì)環(huán)境沒(méi)有危害三、具體工藝實(shí)際的激光切割工藝包括了激光部分、光路系統(tǒng)、輔助介質(zhì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電控部分和軟件部分六個(gè)方面。機(jī)械加工和其他傳統(tǒng)加工方

4、式中，經(jīng)常會(huì)采用氣體或者液體來(lái)作為加工的輔助介質(zhì),的是去除加工過(guò)程中產(chǎn)生的碎屑，降低加工處的溫度，保證加工質(zhì)量及加工的順利進(jìn)行。同樣在激光切割中也會(huì)遇到類似的問(wèn)題，切割的碎屑會(huì)堆積在切割處，既影響切割質(zhì)量又會(huì)阻礙切割的進(jìn)行，切割處的溫度過(guò)高影響切割質(zhì)量，因此同樣可以使用氣體或者液體作為切割的輔助介質(zhì)來(lái)除屑和降溫。下面僅從輔助介質(zhì)的角度討論。(1)氣體輔助切割輔助氣體除了排除切割碎屑和降低切割處溫度的基本作用外,在激光切割中它還充當(dāng)保護(hù)氣體或者反應(yīng)氣體。一方面，氮?dú)夂投栊詺怏w的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，通常不與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此在切割時(shí)可以作為保護(hù)氣體使用，避免切割處的材料因?yàn)楦邷囟谎趸?，使材料性質(zhì)發(fā)

5、生改變，降低切割質(zhì)量。多應(yīng)用在塑料、半導(dǎo)體等不希望發(fā)生氧化現(xiàn)象的材料的切割中;另一方面，氧氣等活性氣體化學(xué)性質(zhì)活潑， 可以與材料發(fā)生放熱反應(yīng)，為切割提供額外的熱源,提高切割的速度，此即氧助熔化切割。通常用在金屬的切割中，金屬被激光迅速加熱至燃點(diǎn)以上,與氧氣發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)(即燃燒)，放出大量的熱，為切割的進(jìn)行提供額外的熱能。需要注意的是：1金屬的燃點(diǎn)要低于熔點(diǎn)且生成熔渣的熔點(diǎn)低于金屬的熔點(diǎn)。2、激光切割過(guò)程中，激光束要穿過(guò)噴嘴產(chǎn)生的氣體流場(chǎng)，同時(shí)氣流還要起到除屑和冷卻的作用, 樣氣體流場(chǎng)的分布會(huì)影響激光束的傳輸和切割質(zhì)量，對(duì)氣流的控制就顯得十分重要。(2)水導(dǎo)激光切割如氣體的冷卻能力不足,采

6、用同軸噴射氣體作為輔助介質(zhì)存在一些無(wú)法解決的問(wèn)題, 渣不盡會(huì)產(chǎn)生切邊掛渣現(xiàn)象等，因此考慮將氣體換為液體。但是液體對(duì)激光傳播的影響較大, 并不能簡(jiǎn)單采取同軸噴射就能解決，需要更多的考慮和設(shè)計(jì)。其中一種典型技術(shù)是瑞士 SYNOVA公司開(kāi)發(fā)的以水為切割輔助介質(zhì)的微水導(dǎo)激光切割2040 m),利用激光在水和空氣界面的全反射使激光在水柱內(nèi)進(jìn)行傳播,將激光引到材料表面進(jìn)行切割，因此水起到技術(shù)。它是將激光束經(jīng)過(guò)聚焦后耦合入高壓噴射的極細(xì)水柱中(了長(zhǎng)度可變的液態(tài)光纖的作用，同時(shí)水對(duì)切割部位進(jìn)行冷卻并除去切割的碎屑。使用水導(dǎo)激光切割一切割過(guò)程中水柱的產(chǎn)生及激光的耦合和傳播是此項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)。些材料時(shí)可以達(dá)到良好

7、的切割效果，但此項(xiàng)技術(shù)為國(guó)外所壟斷，工藝復(fù)雜設(shè)備昂貴。(3)水下激光切割采用水作為切割輔助介質(zhì)時(shí)，還可以采用將材料浸沒(méi)在水中，然后使用激光直接透過(guò)水 層對(duì)材料進(jìn)行切割。此時(shí)水同樣可以達(dá)到降溫、排屑和隔離的作用。但當(dāng)激光射入水中時(shí), 水會(huì)吸收一部分激光而造成其能量的減弱。對(duì)于水下激光切割，關(guān)鍵點(diǎn)是消除水波對(duì)激光傳輸?shù)挠绊?，在切割中由于機(jī)械震動(dòng)和空氣流動(dòng)等因素，造成自由液面的波動(dòng)，對(duì)激光產(chǎn)生折射，使焦點(diǎn)位置產(chǎn)生漂移，造成切割質(zhì) 量變差或無(wú)法進(jìn)行，因此必須采取措施消除自由液面的波動(dòng)帶來(lái)的影響。四、展望目前國(guó)內(nèi)主要研究方向在鋼板的激光切割工藝方面，少數(shù)涉及到有色金屬的切割工藝。而國(guó)外的激光切割工藝比較成熟。目前的研究領(lǐng)域主要集中在數(shù)字模型對(duì)切割過(guò)程的模擬以 及特殊情況下的激光切割。 國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)從理論上和大量的試驗(yàn)結(jié)果中研究了影響激光切割加工的相關(guān)物理參數(shù)及工藝參數(shù)。真正要應(yīng)用到國(guó)民生產(chǎn)業(yè)仍有距離。另外三維立體多軸數(shù) 控激光切割已成為趨勢(shì)。一方面，要做到高精度，高功率；另一方面還要追求無(wú)人化，自動(dòng) 化控制?？梢?jiàn)技術(shù)的發(fā)展與生產(chǎn)實(shí)踐的提高有著深刻關(guān)系。2009.4參考文獻(xiàn)楊偉，高精密激光切割的理論及應(yīng)用，煙臺(tái)大學(xué)碩士學(xué)位論文,【2】孫曉東，王松等，激光切割技術(shù)