激光切割技術(shù)

1、激光切割技術(shù)激光切割技術(shù)1概述2連續(xù)激光切割的基礎(chǔ)3常用材料的激光切割特性4連續(xù)CO2激光的特色應(yīng)用5脈沖固體激光的切割應(yīng)用6連續(xù)固體激光的切割應(yīng)用1 1概述概述 激光切割是利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑，將材料快速加熱至汽化溫度，蒸發(fā)形成小孔洞后，再使光束與材料相對移動(dòng)，從而獲得窄的連續(xù)切縫。連續(xù)激光可用于各種材料的高效率切割，紅外脈沖激光主要用于金屬材料的精密切割，紫外脈沖激光主要用于薄板金屬或非金屬材料的精密切割。連續(xù)激光切割加工是激光加工應(yīng)用的重要領(lǐng)域，而CO2激光切割加工各種金屬和非金屬，則是激光切割應(yīng)用的最大市場。2 2連續(xù)激光切割的基礎(chǔ)連續(xù)激光切割的基礎(chǔ) 2.12.1連續(xù)激光

2、切割材料的特點(diǎn)連續(xù)激光切割材料的特點(diǎn) 1 1 1 1. .切割品質(zhì)好切割品質(zhì)好 割縫窄（一般為0.10.5mm）、精度高（一般孔中心距誤差0.10.4mm，輪廓尺寸誤差0.10.5mm）、割縫粗糙度好（表面粗糙度一般為Ra12.525m）。 2. 2.切割速度快、效率高切割速度快、效率高 激光切割加工為無接觸加工，慣性小，因此其加工速度快。 3. 3.熱影響區(qū)小、幾乎無變形熱影響區(qū)小、幾乎無變形 雖然激光照射加工部位的熱量很大、溫度很高，但照射光點(diǎn)很小，且光束移動(dòng)速度快，所以其熱影響區(qū)很小。 清潔、安全、勞動(dòng)強(qiáng)度低清潔、安全、勞動(dòng)強(qiáng)度低 由于激光切割自動(dòng)化程度高，可以全封閉加工、無污染、噪聲小

3、，明顯地改善了操作人員的工作環(huán)境。 5. 5.幾乎可用于任何材料的切割幾乎可用于任何材料的切割 激光亮度高、方向性好，聚焦后的光點(diǎn)很小，能夠產(chǎn)生極高的能量密度和功率密度，足以熔化任何金屬，還可以加工非金屬，特別適合于加工高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)的其他方法難以加工的材料。 6. 6.不易受電磁干擾不易受電磁干擾 激光加工不像電子束加工必須在真空中才能進(jìn)行。 7 7. .激光束易于傳送激光束易于傳送 通過外光路系統(tǒng)可以使激光束隨意改變方向，甚至可通過光纖傳輸，和數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人連接起來，構(gòu)成各種靈活的彈性加工系統(tǒng)。 8. 8.激光切割經(jīng)濟(jì)效益好激光切割經(jīng)濟(jì)效益好 尤其對于其他傳統(tǒng)方法很難加工的材料，

4、采用激光切割的優(yōu)勢更明顯。 9 9. .節(jié)能和節(jié)省材料節(jié)能和節(jié)省材料 由于激光切割的割縫很窄，且為數(shù)控加工，可采用軟件套排整版加工，可節(jié)省材料15%30%。 2.22.2連續(xù)激光切割材料的機(jī)制及分類連續(xù)激光切割材料的機(jī)制及分類 一、連續(xù)激光切割機(jī)制一、連續(xù)激光切割機(jī)制 當(dāng)激光功率超過一定閾值后，在材料被激光穿透前，熔化的材料在激光噴嘴吹出的氣流的助推下被反向拋出，同時(shí)噴出物繼續(xù)吸收激光能量，形成電漿，這些電漿對激光的吸收率很大，屏蔽了部份激光向材料表面的直接注入，使材料對激光的吸收減小，導(dǎo)致加熱熔化時(shí)間變長，熱影響區(qū)域變大，因此激光起始穿孔的口徑較大。材料越厚，激光穿透的孔徑越大。當(dāng)材料被激光

5、穿透后，以一定速度移動(dòng)光束，則融蝕前緣熔化的材料，在激光噴嘴吹出的氣流的助推下被正向吹出，形成的電漿將在孔內(nèi)（或切縫內(nèi)），此時(shí)電漿進(jìn)一步吸收的激光能量，將通過熱傳導(dǎo)傳遞到材料基體，這相當(dāng)于增大了材料對激光的吸收率，而使加熱熔化時(shí)間變短，熱影響區(qū)域變小，切縫變窄。 二、連續(xù)激光切割分類二、連續(xù)激光切割分類 1 1. .汽化切割汽化切割 當(dāng)聚焦到材料表面的激光功率密度非常高時(shí)，與熱傳導(dǎo)相比，材料表面的溫度上升極快，直接達(dá)到汽化溫度，而沒有熔化產(chǎn)生。飛秒激光切割任何材料都屬于汽化切割，奈秒或連續(xù)激光切割只有在切割一些低汽化溫度的材料（如木材、碳素材料和某些塑料）時(shí)，才屬于汽化切割。 2. 2.氧助熔

6、化切割氧助熔化切割 當(dāng)激光切割金屬材料時(shí)，若所吹輔助氣體為氧氣或含氧的混合氣體，使被激光加熱的金屬材料產(chǎn)生氧化放熱反應(yīng)，這樣在激光能量外就產(chǎn)生了另一個(gè)熱源金屬化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱能，且兩個(gè)熱能共同完成材料的熔化及切割，稱之為氧助熔化切割。 3. 3.無氧熔化切割無氧熔化切割 當(dāng)激光切割材料時(shí)，若所吹輔助氣體為惰性氣體，熔化的材料將不會(huì)與空氣中的氧氣接觸，也就不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，故稱為無氧熔化切割。 2.32.3影響連續(xù)激光切割質(zhì)量的因素影響連續(xù)激光切割質(zhì)量的因素 3 3 一、工件特性及激光光波長對切割質(zhì)量的影響一、工件特性及激光光波長對切割質(zhì)量的影響 直接工件特性及激光波長對影響材料對光束能量的吸收

7、率，而對激光能量的吸收是實(shí)現(xiàn)激光加工的前提，吸收率的大小決定著激光加工的能量利用率。一般非金屬材料對紫外激光和10640nm的CO2激光的吸收率很大，而對近紅外輸出的固體激光的吸收率，卻因材料不同有很大變化。 二、技術(shù)參數(shù)的影響二、技術(shù)參數(shù)的影響 影響激光切割質(zhì)量的主要技術(shù)參數(shù)，有噴嘴結(jié)構(gòu)、氣流、輔助氣體、切割速度、焦點(diǎn)位置、焦點(diǎn)大小、景深、穿孔、程序設(shè)計(jì)等。 1. 1.氣流與噴嘴氣流與噴嘴 對氣流的基本要求，是進(jìn)入切口的氣流量要大，速度要高，以便有足夠的動(dòng)量將熔融材料噴射吹出，對于金屬切割還要有足夠的氧化氣流，使切口材料充分進(jìn)行放熱反應(yīng)。 2 2. .透鏡焦距、焦點(diǎn)位置與切割質(zhì)量透鏡焦距、焦

8、點(diǎn)位置與切割質(zhì)量 (1)透鏡焦距與切割品質(zhì)：激光切割的優(yōu)點(diǎn)之一，是光束能匯聚成很小的光點(diǎn)，獲得極高的能量密度，從而切出一窄的割縫，為此需要焦點(diǎn)光斑直徑盡可能的小。一般大功率CO2激光切割機(jī)中，廣泛采用127190mm的焦距，此時(shí)焦點(diǎn)光斑直徑在0.10.4mm之間，焦深在58mm之間，需要控制焦點(diǎn)相對于被切割材料表面的位置不超過焦深值。 (2)焦點(diǎn)位置與切割品質(zhì)4,5：焦點(diǎn)位置的控制好壞對于切口品質(zhì)影響極大。對于6mm以內(nèi)金屬薄板的切割，焦點(diǎn)在材料表面上下一定范圍內(nèi)都可整潔（不粘熔渣）地切割。加工金屬的激光切割機(jī)主要采用電容非接觸式間隙傳感器，跟蹤精度在0.010.1mm，標(biāo)稱間隙在0.53mm

9、，測量電極結(jié)構(gòu)一般采用與噴嘴一體式結(jié)構(gòu)或環(huán)式結(jié)構(gòu)。圖圖3切割切割品品質(zhì)與焦點(diǎn)位置的關(guān)系質(zhì)與焦點(diǎn)位置的關(guān)系圖圖4割縫寬度與焦點(diǎn)位置的關(guān)系割縫寬度與焦點(diǎn)位置的關(guān)系 (3)焦點(diǎn)判斷 a.打印法：使切割頭從上往下運(yùn)動(dòng)，在塑料板上進(jìn)行激光束打印，打印直徑最小處為焦點(diǎn)。 b.斜板法：水平等速推動(dòng)斜放的塑料板，激光束的最?。ㄇ泻圩钚。┨帪榻裹c(diǎn)。 c.藍(lán)色火花法：去掉噴嘴，斜向吹高壓空氣，將脈沖激光打在不銹鋼板上，使切割頭從上往下運(yùn)動(dòng)，直至藍(lán)色火花最大處為焦點(diǎn)。 (4)焦點(diǎn)光斑的穩(wěn)定方法：對于基模（TEM00模）激光，可視為理想的高斯光束，聚焦焦點(diǎn)的光斑尺寸d0是與激光束的光斑尺寸D成反比的，即 （1） 對于

10、大型飛行光路激光切割機(jī)，由于切割近端和切割遠(yuǎn)程光程長短會(huì)相差2m以上，聚焦前的光束尺寸就有較大差別，導(dǎo)致各處聚焦焦點(diǎn)的光斑尺寸有變化。入射光束的直徑越大，焦點(diǎn)光斑的直徑越小。 04fdD= 3 3. .切割穿孔技術(shù)切割穿孔技術(shù) 激光穿孔一般有兩種方法： (1)脈沖穿孔：一種先進(jìn)的穿孔方法，可以獲得較小穿孔直徑。該方法適用于可以輸出高峰值功率脈沖激光的連續(xù)激光器。由于每個(gè)激光脈沖只產(chǎn)生少量微粒噴射，因此厚板穿孔時(shí)間需要幾秒鐘。板材一旦穿透，立即加大氣流量，或?qū)⑤o助氣體換成氧氣（對于金屬切割），按一定軌跡移動(dòng)光束進(jìn)行切割。 (2)爆破穿孔：當(dāng)連續(xù)激光器沒有高峰值功率脈沖激光輸出時(shí)，采用爆破穿孔法。

11、控制激光頭移動(dòng)到起始位置后停止運(yùn)動(dòng)，啟動(dòng)連續(xù)激光照射材料，使該點(diǎn)中心熔化形成一凹坑，然后由與激光束同軸的氣流很快將熔融材料去除（反向噴出），經(jīng)過一定時(shí)間形成一孔洞。一般孔的大小與板厚有關(guān)，爆破穿孔平均直徑為板厚的一半。 切割切割速度速度 激光切割速度過低，則材料過燒，使切縫變寬，并使熱影響區(qū)域顯著增大。當(dāng)激光切割速度過高時(shí)，則會(huì)使切口清渣不凈，切口變得粗糙。可見若能保證恒定的最佳速度切割，效果最好。 5 5. .程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì) 加工程序的優(yōu)劣，建立在大量的技術(shù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，有豐富的經(jīng)驗(yàn)才能編寫出好的加工程序。而使用一個(gè)好的編程軟件可以降低這方面的要求，因?yàn)楹玫腃AD/CAM軟件就是大量經(jīng)驗(yàn)的

12、總結(jié)。也是提高效率、節(jié)省時(shí)間、節(jié)省材料的有效方法。 三、激光參數(shù)的影響三、激光參數(shù)的影響 1. 1.激光功率對切割速度與切割質(zhì)量的影響激光功率對切割速度與切割質(zhì)量的影響 4 4 激光功率增加，在其他條件不變時(shí)，割縫寬度增加，實(shí)際上，激光功率增加，切割速度變大時(shí)切割質(zhì)量仍然很好，切割速度范圍也隨之?dāng)U大。圖6割縫寬度和激光功率的關(guān)系（1kgf/cm298.0665kPa）圖7切割品質(zhì)隨功率與切割速度的變化（1kgf/cm298.0665kPa） 2 2. .激光模式及光束質(zhì)量對切割質(zhì)量的影響激光模式及光束質(zhì)量對切割質(zhì)量的影響 激光切割應(yīng)選用單?；驕?zhǔn)單模激光，多模激光只能用于熱處理或焊接應(yīng)用。由于單

13、模激光不但可以聚焦到很小的焦點(diǎn)，使切縫很窄，而且單模激光能量分布為中心對稱，所以切割不同方向的割縫質(zhì)量相同。而多模激光的能量分布是不對稱的，所以不同方向的割縫寬度可能不均一，質(zhì)量也可能不同。激光束質(zhì)量的好壞可以采用光束遠(yuǎn)場發(fā)散角、光束聚焦特征參數(shù)Kf和衍射極限因子M2（M）或光束傳輸因子K來表示。圖8幾種CO2激光束橫截面強(qiáng)度分布圖9高功率固體激光通過光纖后光束橫截面強(qiáng)度分布 圖103300W全固態(tài)激光束橫截面強(qiáng)度分布 激光器類型封離式慢速軸流橫流快速軸流渦輪風(fēng)機(jī)快速軸流擴(kuò)散冷卻型SLAB出現(xiàn)年代20世紀(jì)70年代中期20世紀(jì)80年代早期20世紀(jì)80年代中期20世紀(jì)80年代后期20世紀(jì)90年代早

14、期20世紀(jì)90年代中期最大功率W5001000200005000100004500光束品質(zhì)M2不穩(wěn)定1.51052.51.2光束品質(zhì)Kf/mmmrad不穩(wěn)定5351795表1常用CO2激光器的光束品質(zhì) 激光器類型燈激發(fā)體半導(dǎo)體激發(fā)片狀固體DISCLD端面激發(fā)Slab單顆光纖激光器多顆積體光纖激光器出現(xiàn)年代20世紀(jì)80年代20世紀(jì)80年代末期20世紀(jì)90年代中期20世紀(jì)90年代末期21世紀(jì)初21世紀(jì)初功率W600044004000（樣機(jī)）20070010000光束品質(zhì)M2703571.1470光束品質(zhì)Kf/mmmrad25122.50.351.425表2工業(yè)用固體激光器的光束品質(zhì) 3 3常用材料

15、常用材料的激光切割的激光切割特性特性 3.13.1金屬板材的激光切割金屬板材的激光切割 一、普通碳鋼的激光切割 低碳鋼最適合采用氧助熔化激光切割。低碳鋼含有99%以上的鐵，鐵的氧化反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量，因此通過吹氧輔助，可以減小對激光能量的要求。另外氧氣可自由穿過氧化反應(yīng)造成的氧化鐵層，進(jìn)入熔化材料，使氧化反應(yīng)可連續(xù)快速地沿切口移動(dòng)。 高碳鋼的激光切割質(zhì)量也較好。與低碳鋼比，只是熱影響區(qū)稍微大一些。含雜質(zhì)低的冷軋鋼板的激光切割質(zhì)量優(yōu)于熱軋鋼板。鍍鋅鋼板和涂塑薄鋼板的激光切割效果很好 二、不銹鋼的激光切割二、不銹鋼的激光切割2 不銹鋼一般采用高壓氮?dú)廨o助切割，需要激光功率較高，切口白亮，不氧化、不

16、變色。如用氧氣助熔切割，在同樣功率下切割速度可加快，但切口氧化變黑。不銹鋼中含有10%20%的鉻，由于鉻的存在，傾向于破壞鐵的氧化過程，使熔化層氧化不完全，反應(yīng)熱減少，切割速度較低。另一方面，由于熔化物沒有完全氧化，與工件之間有較大的黏附力，不易完全從切口吹除，較易在切口的下緣留有熔化殘?jiān)?圖11切割不同材料鋼材時(shí)的激光焦點(diǎn)位置 三、鎳合金的激光切割三、鎳合金的激光切割 對鎳合金的激光切割與不銹鋼的切割相似，但由于熔融態(tài)的鎳的黏度較高，更容易引發(fā)熔渣黏附在割縫背面，所以對鎳合金的激光切割一般在較高的氧氣壓力下完成。隨合金成分的不同，切割速度大約為切割同等厚度不銹鋼的0.51.0倍。 四、鈦及

17、合金的激光切割四、鈦及合金的激光切割 由于鈦的氧化反應(yīng)放熱量很大，吹氧切割鈦的氧化反應(yīng)劇烈、切割速度較快，且很容易引起切口過燒，一般采用空氣為輔助氣體，更容易控制切割質(zhì)量。而航空業(yè)常用的鈦合金（Ti-6Al-4V）激光切割的質(zhì)量較好，一般采用空氣為輔助氣體，在割縫的底部會(huì)產(chǎn)生少許粘渣，但很容易清除，而切口會(huì)由于吸收了氧，產(chǎn)生一硬脆氧化層。吹惰性氣體可減少氧化污染問題，但切口附近存在的熱影響區(qū) 五、鋁及其合金的激光切割五、鋁及其合金的激光切割 由于鋁及其合金的熱導(dǎo)率大，對紅外激光又有高反射率，連續(xù)激光很難完成穿孔。如打磨其表面使之變粗糙、涂吸光材料或陽極鈍化鋁表面，也可從邊緣起切或從預(yù)先鉆孔處起

18、切。但切割鋁及其合金的最有效辦法，是采用高重復(fù)頻率高峰值功率的脈沖激光，高的脈沖峰值功率能有效突破鋁合金表面的吸收壁壘，獲得良好的切縫。 六、銅材料的激光切割六、銅材料的激光切割 銅和鋁相似，對紅外激光具有高反射率并具有高熱導(dǎo)率，連續(xù)激光很難完成穿孔，屬難切材料。采用高重復(fù)頻率高峰值功率的脈沖激光，輔助吹氧，可以較好地切割銅合金。 3.23.2非金屬材料的激光切割非金屬材料的激光切割 對CO2激光，非金屬材料幾乎完全吸收10640nm的激光能量。一般切割所采用的輔助氣體是空氣。 非金屬的切割可以是切割區(qū)的汽化、熔化或化學(xué)裂解。在某些情況下，材料切除過程是以上幾種機(jī)制中的兩個(gè)或三個(gè)的組合。 一、

19、有機(jī)材料激光切割一、有機(jī)材料激光切割 純的有機(jī)材料對YAG激光的透過率較大，所以不適合用YAG激光切割，而其對CO2激光幾乎完全吸收，所以有機(jī)材料特別適用于CO2激光切割。它屬于汽化切割，切口品質(zhì)特別好。 紫外激光可以對一些有機(jī)聚合物進(jìn)行冷切割，是一種化學(xué)分割過程，而不是一般的熱切割過程，因此切口尖銳，沒有任何熔化痕跡，品質(zhì)極高。 二、紙張、木材等激光切割二、紙張、木材等激光切割 紙張、木材等很容易采用激光進(jìn)行切割。木材不熔化，屬于汽化切割，同時(shí)在切割區(qū)發(fā)生化學(xué)裂解，裂解產(chǎn)物由氣流吹除，切口斷面覆蓋有殘余碳顆粒。由于切口材料無熔化流動(dòng)，切口通常均很平滑。吹空氣一般切縫會(huì)有黑色煳邊，吹工業(yè)氮?dú)馇?/p>

20、縫不會(huì)產(chǎn)生黑色煳邊。對于較薄的材料，常用100W以下的中小功率CO2激光切割。對于較厚的材料，如多層膠木板的紙盒模板切割，常用5001500W的CO2激光切割，通過參數(shù)控制，可切割出寬度均勻的矩形割縫。 三、玻璃和石英三、玻璃和石英的激光切割的激光切割 玻璃材料對CO2激光的吸收率很高，能有效地吸收激光束的能量而被熱能熔化，可以加工，但會(huì)伴隨著切口下沉，周圍產(chǎn)生的熱應(yīng)力，也會(huì)使邊緣出現(xiàn)裂縫（玻璃的韌性太差），因而不能進(jìn)行相當(dāng)精確的切割加工。 石英材料比玻璃耐熱沖擊，熔點(diǎn)很高，因此可以用激光切割。CO2激光切割薄的石英板材或管材效率很高，如用450W CO2激光切割石英燈泡管，每小時(shí)可切4000

21、個(gè)4。 四、陶瓷材料四、陶瓷材料的激光切割的激光切割 陶瓷材料比玻璃耐熱沖擊，熔點(diǎn)很高，因此可以用激光切割，但采用通常的穿透切割，速度比較低。由于割縫附近的熱梯度較大，有可能產(chǎn)生裂縫，預(yù)加熱陶瓷材料和使用脈沖激光，是減少切割區(qū)熱沖擊的有效方法。 采用脈沖激光，在陶瓷上緣直線打一系列互相銜接的盲孔，由于應(yīng)力集中，材料很容易準(zhǔn)確地沿此線折斷，且切割速度很高。劃痕切割只適用于直線切割。 紫外脈沖激光切割陶瓷薄片時(shí)，切割邊緣陡直、光滑，無細(xì)小裂紋，熱影響區(qū)域極小，切割邊緣位置準(zhǔn)確度高，精度好。 值得注意的是，酚甲醛樹脂為基礎(chǔ)的材料不宜用激光切割。夾布膠木、玻璃膠布板、合成材料等以酚甲醛樹脂為基礎(chǔ)的材料

22、很難用激光切割。因這些材料在激光輻照作用下，產(chǎn)生熔融的黏性物質(zhì)，這種黏性物質(zhì)很難被氣流從切口區(qū)域吹走，而在切割這些材料時(shí)需要更大的能量消耗，另外這種熔融的黏性物質(zhì)，對紅外光有更高的反射率，所以反射光很容易毀壞激光加工鏡頭。4 4連續(xù)連續(xù)COCO2 2激光的特色應(yīng)用激光的特色應(yīng)用 (1)金屬板金件激光切割，特別是切割一些輪廓形狀復(fù)雜、批量不大，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間角度來衡量，制造模具不劃算的鈑金件。 (2)裝飾、廣告、服務(wù)行業(yè)用的不銹鋼（一般厚度小于3mm）或非金屬材料（一般厚度小于20mm）的圖案、標(biāo)記、字體等，如藝術(shù)照相冊的圖案，公司、單位、賓館、商場的標(biāo)記，車站、碼頭、公共場所的中英文字

23、體。 (3)對切割品質(zhì)要求較高的特殊零件，如要求切縫均勻的模切版和石油割縫篩管，要求切縫精度高的SMT模板。 (4)汽車板金的三維切割。經(jīng)過模具沖壓成型的汽車板金為立體形狀，一般再加工較困難，采用五軸的CO2激光切割機(jī)可以很容易的切出各種形狀的孔洞。 1 1板金件激光切割板金件激光切割圖12激光切割的板金件 一、一般金屬板的激光切割一、一般金屬板的激光切割 圖圖13激光切割的合金齒輪激光切割的合金齒輪圖圖14激光切割的合金鋸片激光切割的合金鋸片圖15激光切割的機(jī)箱殼板 圖16德國TRUMPF公司的平面切割機(jī)床 圖17CO2激光加工機(jī)器人 二、整卷帶鋼的連續(xù)激光切割二、整卷帶鋼的連續(xù)激光切割 用

24、激光切割機(jī)加工整卷帶鋼，只需要在設(shè)計(jì)激光加工機(jī)床時(shí)，增加整卷帶鋼的自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)。圖18整卷帶鋼激光切割機(jī) 1 1. .提高設(shè)備的加工效率提高設(shè)備的加工效率 由于減少了板金件加工中的上下料的停機(jī)時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)無人化操作，因此加工效率高。 2. 2.節(jié)約材料節(jié)約材料 由于帶鋼可以連續(xù)進(jìn)料，可以避免大量的廢料產(chǎn)生。 3 3. .節(jié)省開支節(jié)省開支 帶鋼價(jià)格約比板材便宜15%，可直接節(jié)省開支。 2 2非金屬板材的激光切割非金屬板材的激光切割 一、各種紙材料的激光切割一、各種紙材料的激光切割 1. 1.印刷紙張激光切割印刷紙張激光切割 在傳統(tǒng)的沖裁切割過程中，裁刀在局部施加壓力、刺穿紙張的過程中，無可避免地

25、會(huì)使切割邊緣的紙纖維松散、脫落。脫落的纖維落進(jìn)打印機(jī)里，會(huì)在印刷平面上留下空白印記，松散的纖維還導(dǎo)致紙張的邊緣出現(xiàn)輕微的隆起，紙張邊緣的高低不平，使得高速處理過程變得非常困難甚至不可能。激光切割實(shí)際上是使材料汽化的過程，不會(huì)留下松散的纖維，切割邊緣非常干凈、整齊。激光切割紙張的缺點(diǎn)是一次切割紙張迭層的總厚度不能太大，否則上下割縫寬度會(huì)不同。另外，激光切割必須壓實(shí)紙張，否則中間空隙的存在，可能會(huì)使熱氣流橫向運(yùn)動(dòng)引起明火。 2 2. .藝術(shù)剪紙的激光切割藝術(shù)剪紙的激光切割 藝術(shù)剪紙是中國的傳統(tǒng)文化，隨著新材料的出現(xiàn)，一些鮮亮厚實(shí)的材料用到剪紙上，傳統(tǒng)的手工加工變得困難，而數(shù)控激光切割技術(shù)非常適合特

26、殊材料新穎剪紙的制作，因?yàn)槭怯?jì)算機(jī)制圖，方便靈活，圖案豐富，加工迅速，并可個(gè)性化定制加工。 3 3. .特殊紙材料的激光切割特殊紙材料的激光切割 特殊紙制品的加工中，如多層紙板、砂紙等，激光加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)更是明顯。這些紙張較硬，用機(jī)械法切割會(huì)很快磨損砂輪，但加工材料的厚、硬、粗糙等特性，對于激光加工沒有絲毫的影響，且精度很高，不會(huì)產(chǎn)生“飛邊”現(xiàn)象。 不干膠標(biāo)簽切割加工不干膠標(biāo)簽切割加工 傳統(tǒng)的機(jī)械切割法，標(biāo)簽紙的背膠很有可能黏在砂輪上，影響加工效果，并需要定期停機(jī)清洗砂輪。而激光切割不干膠卷標(biāo)，卻沒有絲毫的影響。另外激光切割還有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)激光可以切割任意的曲線，并可隨時(shí)改變切割圖樣，這

27、些基本不增加工時(shí)和成本，而在傳統(tǒng)機(jī)械加工中，變換圖樣需要制作不同圖樣的模板，耗時(shí)費(fèi)力。 (2)可以通過精確控制激光功率，達(dá)到只切透表層紙張，絲毫不影響到下層黏性材料的效果，加工靈活性高。 二、壓克力及各種裝飾板材的激光切割二、壓克力及各種裝飾板材的激光切割 1.建筑業(yè)的壓克力模型制作建筑業(yè)的壓克力模型制作 制作建筑業(yè)的壓克力模型，目前已普遍采用激光切割模型的所有壓克力零件，然后手工粘合模型?？捎?0100W的封離CO2激光器。 2.裝潢用文字、圖案及儀器面板的裝潢用文字、圖案及儀器面板的CO2激光切割激光切割 家具裝飾及室內(nèi)裝潢用的薄樹皮采用激光切割效果很好，不會(huì)產(chǎn)生沿著紋理的劈裂問題，可進(jìn)行

28、任意形狀和復(fù)雜圖案的切割。圖19激光切割的實(shí)木美術(shù)字 激光切割的透明有機(jī)板不但精度高，而且切口光亮，適合制作儀器面板、襯板，或直接黏置有機(jī)玻璃器皿。圖20激光切割的透明有機(jī)板 三、激光切割在成衣業(yè)的應(yīng)用三、激光切割在成衣業(yè)的應(yīng)用 1 1. .服裝打板的激光切割服裝打板的激光切割 傳統(tǒng)的服裝生產(chǎn)技術(shù)是：服裝設(shè)計(jì)，大型繪圖及繪制打板，手工裁剪打板，依照打板切割服裝面料，縫制。采用激光切割打板可以使和兩道程序合成一道程序。而激光直接裁剪服裝面料，將使、三道程序合成一道程序。所以，采用激光切割服裝打板，不但可以提高生產(chǎn)效率，還可以提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和一致性。 2.皮衣、皮件和商標(biāo)的激光直接切割 手工量身

29、裁衣，不但效率太低，而且成本和技術(shù)要求高，而激光裁剪可真正做到高效率的量身裁衣，并且切割精度高，對工人的技術(shù)要求相對較低。所以激光裁剪特別適合皮衣、皮件、風(fēng)衣、雨衣和商標(biāo)等特殊面料的裁剪。圖21激光切割的皮件 3 3特殊高質(zhì)量零件的激光切割特殊高質(zhì)量零件的激光切割 一、石油割縫管的激光切割一、石油割縫管的激光切割 8,98,9 繞絲篩管在強(qiáng)壓下通過大的斜度井或水平井的彎段時(shí)，將會(huì)與井壁或套管發(fā)生擠壓或摩擦，不可避免地產(chǎn)生亂絲現(xiàn)象，引起防、護(hù)砂效果的降低或防砂失敗。針對繞絲篩管的這一弊端，管、縫一體的割縫篩管便顯示出優(yōu)越性。割縫篩管的加工方法有多種：鑲嵌金屬塊法、陶瓷刀片加工法、電化學(xué)與機(jī)械復(fù)合

30、加工法、激光切割法等。 激光割縫篩管是在石油套管或油管上，用激光切割出多條依一定規(guī)格排列的縫隙，如縱向直排式或交錯(cuò)式縫隙，螺旋直排式或交錯(cuò)式縫隙。割縫寬度一般在0.23.0mm，割縫截面為矩形、梯形或其他特殊形狀，縫隙的布置可根據(jù)特定需要進(jìn)行加工。 1.激光割縫篩管的特點(diǎn)激光割縫篩管的特點(diǎn) (1)防砂性能好、無堵塞（梯形割縫），可提高采油品質(zhì)。 (2)極大提高了割縫抗流砂的磨蝕作用。 (3)增大了過流面積，提高了產(chǎn)油量。 (4)篩管壽命長，減少修井，降低采油成本。 (5)割縫篩管激光加工效率高，品質(zhì)優(yōu)良，成本低。 2 2. .加工技術(shù)加工技術(shù) (1)穿孔及切割過程：根據(jù)激光切割起始點(diǎn)對穿孔的要

31、求，穿孔直徑不大于縫寬（約0.2mm）。對較厚的管壁（約10mm），如用連續(xù)激光很難打出符合要求的孔，因此要求激光器必須帶脈沖功能。先用低占空比超脈沖穿孔，然后逐步提高占空比和速度，最后達(dá)到連續(xù)額定輸出功率和最佳切割速度。 (2)割縫寬度的部份影響因素：割縫品質(zhì)與切割速度有非常大的影響。激光功率的增加，在其他條件不變時(shí)，切縫寬度增加。實(shí)際上，激光功率增加，優(yōu)質(zhì)切割速度變大，優(yōu)質(zhì)切割速度范圍也擴(kuò)大，這樣也提高了切割的品質(zhì)穩(wěn)定性和效率。 (3)焦點(diǎn)位置對割縫品質(zhì)的重要影響：通常壁厚小于3mm時(shí)，焦點(diǎn)處于上表面切割。對于厚壁管，一般都要入焦切割，這樣可增大注入到底面的能量，提高切割面的溫度，降低熔渣

32、的黏度，有利于排渣，可得到較好的切縫。 3 3. .割縫割縫 直線割縫，斷面為矩形的窄縫（0.4mm），所需的縫寬可通過調(diào)整激光的功率、焦距、焦點(diǎn)位置、切割速度和氧氣壓力等參數(shù)來獲得。對壁厚9.17mm的N80級(jí)鋼管，采用帶脈沖的CO2氣體激光切割，先用低占空比超脈沖穿孔，然后逐步提高占空比和速度，最后達(dá)到連續(xù)激光2kW輸出，切割速度可達(dá)1m/min左右。圖22割縫斷面為矩形的窄縫激光割縫管樣件 梯形割縫，斷面為梯形縫的切割，每條縫是通過采用來回切兩刀的方式，并且光軸不穿過管子的軸線，達(dá)到形成梯形的兩個(gè)側(cè)面。圖23割縫斷面為梯形的激光割縫管樣件 割縫品質(zhì)割縫品質(zhì) 割縫面粗糙度為Ra6.3m，熱

33、影響硬化層厚度為0.3mm。圖24管材專用激光切割系統(tǒng) 二、紙盒模切板的激光切割二、紙盒模切板的激光切割 1010 傳統(tǒng)的模切板制作，也就是在模板上開刀槽一重要技術(shù)，多以手工鋸割為主，而手工操作難以保證刀槽的寬度均勻和線性精度穩(wěn)定，同時(shí)重復(fù)精度和定位精度更差。目前國內(nèi)常使用的多層木膠合板（Multiplex）激光切割刀槽技術(shù)外，國外還流行使用三明治鋼板（Sandwich）激光切割刀槽技術(shù)和纖維塑料板（Durama）高壓水噴射開槽技術(shù)。模切板的壽命主要取決于切刀的品質(zhì)和換刀次數(shù)。纖維塑料板和三明治鋼板不僅精度高，克服了多層木膠合板易受濕度和溫度變化影響的缺點(diǎn)，而且換刀次數(shù)分別為多層木膠合板的3倍

34、和6倍以上。 1 1. .激光切割激光切割平面木模切板平面木模切板 模切板激光切割系統(tǒng)由激光加工頭、計(jì)算器輔助設(shè)計(jì)與輔助制造(CAD/CAM)軟件、計(jì)算器數(shù)控裝置(CNC)、工作臺(tái)等組成。通過工作臺(tái)與激光束的相對運(yùn)動(dòng)切割出圖形，切割程序應(yīng)依技術(shù)要求編寫過橋、搭橋和切邊框，確定模切板激光切割的最佳路徑。圖25激光切割的平面木模切板 2 2. .激光切割圓形模切板激光切割圓形模切板 1010 圓形模切板在國內(nèi)基本還采用傳統(tǒng)的手工鋸縫，精度和重復(fù)性很難達(dá)到要求，國內(nèi)多家單位展開了激光切割技術(shù)的研究，解決圓形模切板激光切割的技術(shù)問題。與平壓平模切機(jī)不同，圓壓圓模切機(jī)除可與卷筒紙印刷機(jī)組成聯(lián)機(jī)模切外，還

35、能單獨(dú)使用，具有生產(chǎn)效率高、速度快、模切壓痕更精確的優(yōu)點(diǎn)。圖26激光切割的圓形模切板 圖27模切板的激光切割機(jī) 三、激光切割用于層迭沖模模具的制造三、激光切割用于層迭沖模模具的制造 激光切割普通合金工具鋼沖模已用于工業(yè)生產(chǎn)。激光切割200片高強(qiáng)度鋼板迭片式?jīng)_模（每片1.2mm）只需要10h，而采用傳統(tǒng)的模具加工方法則需要100200h。為了降低激光切割含鉻鋼迭片式?jīng)_模切口的表面粗糙度，有人采用液氧、液氮等液體直接冷卻板材的方法11。 為了提高模具的壽命，人們想到了用激光切割鋼結(jié)硬質(zhì)合金12作為迭片式?jīng)_模的最上一層。淬火約35mm厚度的GW50鋼結(jié)硬質(zhì)合金，含有40%50%WC，是一種高熔點(diǎn)、高

36、硬度（硬度6872HRC）、高耐磨材料，切削加工很困難，導(dǎo)電性差，因此電火花加工效率低。激光切割顯著地提高了硬化區(qū)的表面硬度達(dá)35%以上，割縫兩邊形成了一個(gè)熱影響硬化區(qū)，深度達(dá)0.10.25mm，硬度達(dá)11001600HV。 4 4三維激光切割三維激光切割 經(jīng)過模具壓軋成型后的汽車板金為立體形狀，一般再加工較為困難，而五軸聯(lián)動(dòng)的CO2激光加工機(jī)可靈活地進(jìn)行壓邊的切除和孔洞的開挖等空間曲線切割，充分顯示出激光加工的優(yōu)越性。 由于激光切割精度高，且快捷靈活，所以在切割金屬薄板領(lǐng)域中仍有廣泛的應(yīng)用，如小汽車車身成型后開天窗等。 圖28三維激光切割機(jī) 5 5脈沖固體激光的切割應(yīng)用脈沖固體激光的切割應(yīng)用

37、 一、微噴水波導(dǎo)激光技術(shù)一、微噴水波導(dǎo)激光技術(shù) 微噴水波導(dǎo)激光（Water.jet guided laser）技術(shù)是通過一光學(xué)系統(tǒng)將激光束引入很細(xì)的水柱，水柱（水柱光波導(dǎo)）隨即將激光能量通過全內(nèi)反射導(dǎo)向工件，而不需進(jìn)一步聚焦。水柱可引導(dǎo)的光功率密度達(dá)到50MW/cm2，一般采用調(diào)Q的Nd：YAG激光器，平均輸出功率為3070W。水柱噴射速度很快，水壓強(qiáng)度很低，約100300Pa，金剛石噴嘴在射流中形成層流，以提供穩(wěn)定的光波導(dǎo)。水柱直徑50100m，最大流速約1L/min，通過50100mm的距離射向工件，其焦深極大。一般工作臺(tái)定位精度小于5m。由于液化材料的排出更有效，同時(shí)減小了電漿屏蔽效應(yīng)，

38、其切割速度往往超過或相當(dāng)于傳統(tǒng)激光切割技術(shù)處理薄板（小于1mm）材料的速度。 微噴水波導(dǎo)激光技術(shù)，可以用于一些其他方式難以加工的材料的完全切割，如形狀記憶合金、鉻鎳鐵合金、硅、砷化鎵、鍺、磷化銦和碳化硅芯片等的切割。圖29微噴水波導(dǎo)激光切割芯片原理 二、微噴水波導(dǎo)激光切割芯片二、微噴水波導(dǎo)激光切割芯片 對于不同形狀的電池，可供選擇的制作方法還包括水切割和傳統(tǒng)激光切割。水柱切割會(huì)導(dǎo)致裂紋、碎屑之類的損耗，傳統(tǒng)激光切割產(chǎn)生余料、微裂等副作用，采用脈沖光纖激光器作為微噴水波導(dǎo)激光切割光源的效果好。如1060nm IPG脈沖光纖激光器，平均功率100W，脈沖寬度100ns，重復(fù)頻率50kHz。切割50

39、m厚度硅片的速度為200mm/s。圖圖3030SynovaSynova公司的微噴水波導(dǎo)激光公司的微噴水波導(dǎo)激光 切割機(jī)切割機(jī)圖圖3131微噴水波導(dǎo)激光切割微噴水波導(dǎo)激光切割100100 m m厚厚 硅芯片的不同圖形照片硅芯片的不同圖形照片圖32微噴水波導(dǎo)激光切割180m厚GaAs/Ge芯片的不同圖形照片 圖33很強(qiáng)的初始脈沖會(huì)產(chǎn)生一個(gè)凹坑并破壞芯片 5.25.2紫外脈沖激光切割高精度模板紫外脈沖激光切割高精度模板 一一、SMTSMT金屬模板的激光切割金屬模板的激光切割 1818 在表面黏著組件之前，需要采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，將焊錫膏印刷到電路板的連接焊盤上。絲網(wǎng)印刷的模板（Stencil）是印刷電

40、路板中表面安裝屏蔽漏印焊膏用模板，目前主要是采用不銹鋼材料制作，也有少量模板采用高分子聚合物材料制作。不銹鋼模板的優(yōu)點(diǎn)是開口形狀穩(wěn)定，壽命長。目前全球每年約需要100萬片SMT用模板，并以每年10%的增長率增加。模板除了用于一般的表面黏著生產(chǎn)之外，在模板絲網(wǎng)印刷技術(shù)中還用于多接腳芯片封裝、陶瓷多層電路板、倒裝芯片和有機(jī)發(fā)光二極管（OLEDs）的生產(chǎn)。圖34紫外激光切割的高分子聚合物模板 1 1. .對對SMTSMT用印刷模板的要求用印刷模板的要求 (1)準(zhǔn)確的開口位置和開口尺寸。 (2)開口有一定錐度，側(cè)壁光滑、無毛邊。 (3)材料厚度均勻，無應(yīng)力。 (4)模板張力分布均勻。 2.SMT2.S

41、MT模板的制作技術(shù)模板的制作技術(shù) SMT金屬模板主要有三種制作技術(shù)，化學(xué)腐蝕、激光切割和電鑄成型工藝?；瘜W(xué)蝕刻是傳統(tǒng)技術(shù)，使用最廣，但化學(xué)蝕刻的SMT模板開口呈碗狀，焊膏的釋放性能不好，且開口極易堵塞，所以要經(jīng)常清洗，此種模板的精度也比較低。同時(shí)化學(xué)刻蝕法還存在程序繁雜、加工周期長、腐蝕介質(zhì)污染環(huán)境等缺點(diǎn)。圖35化學(xué)蝕刻模板及其開口電子顯微鏡照片 為了防止模板阻塞，保證模板開口寬度與厚度的適當(dāng)縱橫比是重要的，一般要求縱橫比大于1.5，還要保證開口面積比大于0.66，否則錫膏會(huì)保留在開孔內(nèi)。因此更高密度的印刷模板必須選用更薄的材料，而采用電化學(xué)技術(shù)方法又難以實(shí)現(xiàn)。激光切割模板技術(shù)有著一定的優(yōu)勢，

42、其開口也呈梯形。圖36激光切割模板及其開口電子顯微鏡照片 3 3. .激光切割激光切割SMTSMT用金屬模板的優(yōu)越性用金屬模板的優(yōu)越性 (1)非接觸加工，沒有材料錯(cuò)位變形。 (2)采用紫外激光加工，熱影響區(qū)極小。 (3)切割邊緣光滑（表面粗糙度不大于3m），無細(xì)小裂紋，無需進(jìn)行后續(xù)處理。 (4)切孔的立體形狀呈梯形（大約的角度），利于焊膏釋放。 (5)焊錫膏印刷清晰、精確。 (6)切割邊緣位置準(zhǔn)確度高，精度好。 (7)焊盤增補(bǔ)、修改方便。 (8)加工周期短，加工速度最高可達(dá)每小時(shí)50000個(gè)開口。圖37不銹鋼模板切孔背面顯微照片 LPKFLPKF紫外脈沖激光紫外脈沖激光SMTSMT用模板切割機(jī)的技術(shù)參數(shù)用模板切割機(jī)的技術(shù)參數(shù) (1)高重復(fù)頻率紫外調(diào)Q激光，激光波長355nm。 (2)可切割厚度50500m的各種尺寸不銹鋼。 (3)可以切割包括圓角、方孔在內(nèi)的任何形狀的開口。 (4)有效光斑直徑20m。 (5)可以沿20m的切縫，加工出清晰的輪廓。 (6)可以切割小到30m的開口。 (7)強(qiáng)大的模板加工軟件，500000個(gè)開口的模板數(shù)據(jù)處理在5min之內(nèi)即