激光加工技術激光切割

激光加工原理與技術激光加工系統(tǒng)激光打孔激光切割激光焊接激光彎折激光表面處理激光同位素分離激光快速成型激光鍍膜激光印刷激光探礦激光測量1激光加工原理與技術

——激光切割安徽師范大學2激光切割激光切割的原理及分類激光切割的影響因素激光切割的優(yōu)勢和特點激光切割系統(tǒng)激光切割的典型應用3激光切割的原理及分類激光切割：利用聚焦的高功率密度激光束照射工件;在超過域值的激光功率密度的前提下，激光束的能量以及活性氣體輔助切割過程所附加的化學反應熱能全部被材料吸收；由此引起激光作用點的溫度急劇上升,達到沸點后材料開始汽化，并形成孔洞；隨著光束與工件的相對運動，最終使材料形成切縫，切縫處的熔渣被一定的輔助氣體吹除。4激光切割的原理及分類激光切割可分為汽化切割、熔化切割和氧助燃切割。以氧助燃切割為應用最廣。從切割不同材料可分為金屬激光切割和非金屬激光切割。5(1)汽化切割汽化切割:工件在激光作用下快速加熱至沸點，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料為噴出物從切割縫底部吹走。這種切割機制所需激光功率密度一般為108Ｗ/cm2左右，是無熔化材料的切割方式。其所需的激光切割能量是熔化切割的10倍。其機制如下：①激光加熱材料，部分反射，部分吸收，材料反射率隨溫度升高而下降。②激光作用區(qū)溫升快，足以避免熱傳導造成熔化。③蒸汽從工件表面以近似聲速飛快逸出。

汽化切割只應用于那些不能熔化的木材，塑料和碳素等材料。飛秒激光切割屬于氣化切割.6(2)熔化切割熔化切割:激光將工件加熱至熔化狀態(tài)，與光束同軸的氬、氦、氮等輔助氣流將熔化材料從切縫中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般為107Ｗ/cm2左右，適合金屬材料。熔化切割的機制為：①激光束照射工件，除反射外其余能量加熱材料并蒸發(fā)成小孔。②一旦小孔形成，它以黑體全部吸收光能，小孔被熔化金屬壁所包圍，依靠蒸汽流高速流動使熔壁保持相對穩(wěn)定。③熔化等溫線貫穿工件，依靠輔助吹氣將熔化材料吹走。④隨工件的移動，小孔橫移一條切縫。7(3)氧助熔化切割氧助熔化切割:金屬被激光迅速加熱至燃點以上，與氧發(fā)生劇烈的氧化反應（即燃燒），放出大量的熱，又加熱下一層金屬，金屬被繼續(xù)氧化，并借助氣體壓力將氧化物從切縫中吹掉。適用金屬材料。

8(3)氧助熔化切割氧助熔化切割的機理是：①在激光照射下，材料達到燃燒溫度，隨之與氧接觸，發(fā)生劇烈燃燒反應，放出大量熱量，在激光和此熱量共同作用下材料內部形成充滿蒸汽的小孔，小孔周圍被熔融體包圍；②蒸汽流動使周圍熔融金屬壁向前移動，并發(fā)生熱量和物質轉移；③氧和金屬的燃燒速度受燃燒物質轉換成熔渣的限制，氧氣擴散通過熔渣達到點火前沿，氧氣流速越高，燃燒的化學反應越快；④在未達到燃燒溫度的區(qū)域，氧氣流冷卻材料，縮小切割熱影響區(qū)。⑤氧助切割存在激光輻射和化學反應熱兩個熱源。9激光切割的影響因素激光切割質量包括：割縫入口處輪廓清晰，割縫窄、割縫邊的熱影響層小，無切割粘渣，切割表面光潔等。10激光切割的影響因素（1）材料特性（材料表面反射率、材料表面狀態(tài)、材料的其他性能）（2）光束參數（模式和功率、激光束的偏振、激光束的聚焦、脈沖波光束）（3）切割速度（4）焦點位置（5）輔助氣體壓力除了以上最重要的變量以外，可能對切割質量產生影響的因素還包括割炬和噴嘴、外光路系統(tǒng)、工件固定等其他因素。11(1)材料特性12（2）激光橫向模式13聚焦能力與光束模式有關?；?TEM00)，光斑內能量呈高斯分布，幾乎可把光束聚焦到理論上最小的尺寸。而高階或多模光束的能量分布較擴張，經聚焦的光斑較大而能續(xù)密度較低，用它來切割材料猶如一把鈍刀。（2）激光橫向模式GaussianmodeLow-ordermodeMultimodeSurfaceheattreatmentCuttingorwelding14激光輸出方式15(3)激光功率與切割速度激光功率增加、其切割速度和工件的切割厚度增加。1617(3)激光功率與切割速度確定切割速度和切割厚度的主要參數是激光的功率和材料的性能。對于一定板厚，通常激光切割速度隨激光功率呈線形增加。切縫寬度和熱影響區(qū)均隨激光切速的增加而減少，對于中碳鋼，最好的切割質量和最小的熱影響區(qū)為P/V～70J.mm-1。在一定功率條件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度對切口表面粗糙度也有較大影響。18（4）切割粗糙度

對于金屬激光切割的切口粗糙度，一般是上半段最好，中段次之，下段較差。切口粗糙度與切割的切口有關。19（5）焦點對切口的影響20

圖所示為采用激光切割5mm厚合金鋼板時的焦點位置與切割縫寬度的關系曲線。在焦距位置距工件表面1mm處所得到的割縫最窄。透鏡焦長小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。它適用于簿件高速切割，此時應使焦距的位置維持恒定不變：長焦透鏡的聚焦光斑功率密度低，但其焦深大，可用來切割厚材料：板材越厚，焦點位置的正常范圍越窄。（5）焦點對切口的影響

工件至聚焦透鏡的距離與焦距的比值a0在0.988<a0<1.003范圍。例如，激光切割2.3mm的低碳鋼板時，采用負離焦0.3至0.7mm為佳。21（6）聚焦鏡22（6）輔助氣體和噴嘴的影響23輔助氣體的作用：※與金屬產生放熱化學反應，增加能量強度?！鶑那懈顓^(qū)吹掉熔渣，清潔切縫；※冷卻切縫鄰近區(qū)域，減小熱影響尺寸；※保護聚焦透鏡，防止燃燒產物沾污光學鏡片。（6）輔助氣體和噴嘴的影響24噴嘴的設計原則※噴嘴孔尺寸必須容許光束順利通過，避免孔內光束與噴嘴接觸?！鶉娮靽姵龅妮o助氣流必須能使去除切縫內熔融物和加強切割作用有效耦合。氣流量與噴嘴尺寸關系：（6）輔助氣體和噴嘴的影響25激光切割對氣流的基本要求：進入切口的氣流量大；速度要高；以便有充足的氧氣使切口材料充分進行放熱反應，并有足夠的動量將熔融材料噴射帶出。而這些都與氣流作用在工件表面的滯止壓力有關，可稱之為切割壓力。為了得到高的切割速度和切口質量，切割壓力應該大。當Pn/Pa=3，噴出超音速氣流（6）輔助氣體和噴嘴的影響

氧氣流應以超聲速的收斂型氣流最好，以免切口下段擴大。對某種具體激光切割存在一個最佳的噴嘴直徑。在作者的實驗條件下，噴嘴直徑以1.5mm最好。26（7）吹氧壓力的影響

在不同激光功率及不同厚度情況，吹氧壓力也存在一個最佳值。27（8）激光偏振態(tài)對激光切割的影響由圖中可看到，采用圓偏振光，切口平直，與切割方向無關。切割系統(tǒng)一般用圓偏振鏡。28激光切割優(yōu)勢和特點質量優(yōu)勢

技術特質實際應用

1．切割縫邊緣熱影響區(qū)小激光切割需要的總能量少大型電機硅鋼鐵芯下料

2．激光切割的切縫窄小激光切割的能量高度集中石油管的過濾縫切割

3．切割精度高、工件變形小激光聚焦光斑的直徑小汽缸墊的切割成型

4．切割的重復性好，誤差小

數控精密切割切割復雜形狀的零件

5．激光切割面清潔光滑,不掛渣，無塌邊切割的物理冶金過程完善裝潢用切割成型金剛石鋸片切割29噪聲低，無公害

熱影響區(qū)小，熱影響層深度0.05--0.1mm，熱畸變形小。

可在大氣中或任意氣體環(huán)境中進行切割，不需真空裝置。

激光束聚焦后功率密度高，能切割各種材料，如高熔點材料、硬脆材料。

無刀具磨損，沒有接觸能量損耗，也不需更換刀具，易于實現自動控制。

割縫窄，一般為0.1--1mm。對輪廓復雜和小曲率半徑等外形均能達到微米級精度的切割。30激光切割優(yōu)勢和特點3132（1）STS軸快流CO2laserfromU.S.

TEM00Mode

(高斯模式)

1000-3000Watts"D"Mode

(DimodalBeam)

1000-4000Watts"Q"Mode

(QuadramodalBeam)

2500-6000WattsSTS1000STS1500STS1800STS2000STS2200STS2500STS3000STS3500STS4000STS5000FH6000Type:33激光切割系統(tǒng)(2)華工恒信Lance軸快流激光器LANCESeriesFastFlowCO2LasersTEM00+01

(1000--4000Watts)34數控加工控制系統(tǒng)Self-rightingsystemMovingworkstationHand-holdtelecontrolIlluminationofworkareaChineseWindowscircumstanceFunctionofre-trackModemdiagnoseandmaintainFarspacediagnoseandserviceExpertcuttingapparatussystemDialogicfiguredisplayandeditgratingholdingsystemInnermistakenotesMultitaskworkingavailableAlarmequipmentFigurestoreandsoon3536(3)德國梅塞爾激光切割機373839404142434445464748激光切割典型應用49激光切割典型應用50金屬材料激光切割：采用快軸流CO2激光器或Nd3+:YAG切割參數：非金屬激光切割激光器：橫流CO2激光器，不超過500w的中等激光功率。所需的激光功率：Q材料蒸發(fā)所需的能量（KJ/cm3）W切縫寬（cm）L板厚（cm）V切割速度（cm/s）51激光切割典型應用對于非金屬材料，Q值可以小于0.4kJ·cm-3，而對于玻璃類材料，Q值可高于100kJ·cm-3。52

切割木材、紙張、布匹、塑料、橡膠、復合材料、玻璃及陶瓷等非金屑材料。激光切割木材可大大減少噪聲。用激光切割紙張，切速高達15m/s。