激光切割技术,1概述 2连续激光切割的基础 3常用材料的激光切割特性 4连续CO2激光的特色应用 5脉冲固体激光的切割应用 6连续固体激光的切割应用,1概述,激光切割是利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑，将材料快速加热至汽化温度，蒸发形成小孔洞后，再使光束与材料相对移动，从而获得窄的连续切缝。连续激光可用于各种材料的高效率切割，红外脉冲激光主要用于金属材料的精密切割，紫外脉冲激光主要用于薄板金属或非金属材料的精密切割。连续激光切割加工是激光加工应用的重要领域，而CO2激光切割加工各种金属和非金属，则是激光切割应用的最大市场。,2连续激光切割的基础,2.1连续激光切割材料的特点1 1.切割品质好 割缝窄（一般为0.10.5mm）、精度高（一般孔中心距误差0.10.4mm，轮廓尺寸误差0.10.5mm）、割缝粗糙度好（表面粗糙度一般为Ra12.525m）。 2.切割速度快、效率高 激光切割加工为无接触加工，惯性小，因此其加工速度快。 3.热影响区小、几乎无变形 虽然激光照射加工部位的热量很大、温度很高，但照射光点很小，且光束移动速度快，所以其热影响区很小。,清洁、安全、劳动强度低 由于激光切割自动化程度高，可以全封闭加工、无污染、噪声小，明显地改善了操作人员的工作环境。 5.几乎可用于任何材料的切割 激光亮度高、方向性好，聚焦后的光点很小，能够产生极高的能量密度和功率密度，足以熔化任何金属，还可以加工非金属，特别适合于加工高硬度、高脆性及高熔点的其他方法难以加工的材料。 6.不易受电磁干扰 激光加工不像电子束加工必须在真空中才能进行。,7.激光束易于传送 通过外光路系统可以使激光束随意改变方向，甚至可通过光纤传输，和数控机床、机器人连接起来，构成各种灵活的弹性加工系统。 8.激光切割经济效益好 尤其对于其他传统方法很难加工的材料，采用激光切割的优势更明显。 9.节能和节省材料 由于激光切割的割缝很窄，且为数控加工，可采用软件套排整版加工，可节省材料15%30%。,2.2连续激光切割材料的机制及分类 一、连续激光切割机制 当激光功率超过一定阈值后，在材料被激光穿透前，熔化的材料在激光喷嘴吹出的气流的助推下被反向抛出，同时喷出物继续吸收激光能量，形成电浆，这些电浆对激光的吸收率很大，屏蔽了部份激光向材料表面的直接注入，使材料对激光的吸收减小，导致加热熔化时间变长，热影响区域变大，因此激光起始穿孔的口径较大。材料越厚，激光穿透的孔径越大。当材料被激光穿透后，以一定速度移动光束，则融蚀前缘熔化的材料，在激光喷嘴吹出的气流的助推下被正向吹出，形成的电浆将在孔内（或切缝内），此时电浆进一步吸收的激光能量，将通过热传导传递到材料基体，这相当于增大了材料对激光的吸收率，而使加热熔化时间变短，热影响区域变小，切缝变窄。,二、连续激光切割分类 1.汽化切割 当聚焦到材料表面的激光功率密度非常高时，与热传导相比，材料表面的温度上升极快，直接达到汽化温度，而没有熔化产生。飞秒激光切割任何材料都属于汽化切割，奈秒或连续激光切割只有在切割一些低汽化温度的材料（如木材、碳素材料和某些塑料）时，才属于汽化切割。,2.氧助熔化切割 当激光切割金属材料时，若所吹辅助气体为氧气或含氧的混合气体，使被激光加热的金属材料产生氧化放热反应，这样在激光能量外就产生了另一个热源金属化学反应产生的热能，且两个热能共同完成材料的熔化及切割，称之为氧助熔化切割。 3.无氧熔化切割 当激光切割材料时，若所吹辅助气体为惰性气体，熔化的材料将不会与空气中的氧气接触，也就不会产生化学反应，故称为无氧熔化切割。,2.3影响连续激光切割质量的因素3 一、工件特性及激光光波长对切割质量的影响 直接工件特性及激光波长对影响材料对光束能量的吸收率，而对激光能量的吸收是实现激光加工的前提，吸收率的大小决定着激光加工的能量利用率。一般非金属材料对紫外激光和10640nm的CO2激光的吸收率很大，而对近红外输出的固体激光的吸收率，却因材料不同有很大变化。,二、技术参数的影响 影响激光切割质量的主要技术参数，有喷嘴结构、气流、辅助气体、切割速度、焦点位置、焦点大小、景深、穿孔、程序设计等。 1.气流与喷嘴 对气流的基本要求，是进入切口的气流量要大，速度要高，以便有足够的动量将熔融材料喷射吹出，对于金属切割还要有足够的氧化气流，使切口材料充分进行放热反应。,2.透镜焦距、焦点位置与切割质量 (1)透镜焦距与切割品质：激光切割的优点之一，是光束能汇聚成很小的光点，获得极高的能量密度，从而切出一窄的割缝，为此需要焦点光斑直径尽可能的小。一般大功率CO2激光切割机中，广泛采用127190mm的焦距，此时焦点光斑直径在0.10.4mm之间，焦深在58mm之间，需要控制焦点相对于被切割材料表面的位置不超过焦深值。 (2)焦点位置与切割品质4,5：焦点位置的控制好坏对于切口品质影响极大。对于6mm以内金属薄板的切割，焦点在材料表面上下一定范围内都可整洁（不粘熔渣）地切割。加工金属的激光切割机主要采用电容非接触式间隙传感器，跟踪精度在0.010.1mm，标称间隙在0.53mm，测量电极结构一般采用与喷嘴一体式结构或环式结构。,(3)焦点判断 a.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，打印直径最小处为焦点。 b.斜板法：水平等速推动斜放的塑料板，激光束的最小（切痕最小）处为焦点。 c.蓝色火花法：去掉喷嘴，斜向吹高压空气，将脉冲激光打在不锈钢板上，使切割头从上往下运动，直至蓝色火花最大处为焦点。 (4)焦点光斑的稳定方法：对于基模（TEM00模）激光，可视为理想的高斯光束，聚焦焦点的光斑尺寸d0是与激光束的光斑尺寸D成反比的，即 （1） 对于大型飞行光路激光切割机，由于切割近端和切割远程光程长短会相差2m以上，聚焦前的光束尺寸就有较大差别，导致各处聚焦焦点的光斑尺寸有变化。入射光束的直径越大，焦点光斑的直径越小。,3.切割穿孔技术 激光穿孔一般有两种方法： (1)脉冲穿孔：一种先进的穿孔方法，可以获得较小穿孔直径。该方法适用于可以输出高峰值功率脉冲激光的连续激光器。由于每个激光脉冲只产生少量微粒喷射，因此厚板穿孔时间需要几秒钟。板材一旦穿透，立即加大气流量，或将辅助气体换成氧气（对于金属切割），按一定轨迹移动光束进行切割。 (2)爆破穿孔：当连续激光器没有高峰值功率脉冲激光输出时，采用爆破穿孔法。控制激光头移动到起始位置后停止运动，启动连续激光照射材料，使该点中心熔化形成一凹坑，然后由与激光束同轴的气流很快将熔融材料去除（反向喷出），经过一定时间形成一孔洞。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。,切割速度 激光切割速度过低，则材料过烧，使切缝变宽，并使热影响区域显著增大。当激光切割速度过高时，则会使切口清渣不净，切口变得粗糙。可见若能保证恒定的最佳速度切割，效果最好。 5.程序设计 加工程序的优劣，建立在大量的技术实验的基础上，有丰富的经验才能编写出好的加工程序。而使用一个好的编程软件可以降低这方面的要求，因为好的CAD/CAM软件就是大量经验的总结。也是提高效率、节省时间、节省材料的有效方法。,三、激光参数的影响 1.激光功率对切割速度与切割质量的影响4 激光功率增加，在其他条件不变时，割缝宽度增加，实际上，激光功率增加，切割速度变大时切割质量仍然很好，切割速度范围也随之扩大。,图6割缝宽度和激光功率的关系（1kgf/cm298.0665kPa）,图7切割品质随功率与切割速度的变化（1kgf/cm298.0665kPa）,2.激光模式及光束质量对切割质量的影响 激光切割应选用单模或准单模激光，多模激光只能用于热处理或焊接应用。由于单模激光不但可以聚焦到很小的焦点，使切缝很窄，而且单模激光能量分布为中心对称，所以切割不同方向的割缝质量相同。而多模激光的能量分布是不对称的，所以不同方向的割缝宽度可能不均一，质量也可能不同。激光束质量的好坏可以采用光束远场发散角、光束聚焦特征参数Kf和衍射极限因子M2（M）或光束传输因子K来表示。,图8几种CO2激光束横截面强度分布,图9高功率固体激光通过光纤后光束横截面强度分布,图103300W全固态激光束横截面强度分布,表1常用CO2激光器的光束品质,表2工业用固体激光器的光束品质,3常用材料的激光切割特性,3.1金属板材的激光切割 一、普通碳钢的激光切割 低碳钢最适合采用氧助熔化激光切割。低碳钢含有99%以上的铁，铁的氧化反应产生大量的热量，因此通过吹氧辅助，可以减小对激光能量的要求。另外氧气可自由穿过氧化反应造成的氧化铁层，进入熔化材料，使氧化反应可连续快速地沿切口移动。 高碳钢的激光切割质量也较好。与低碳钢比，只是热影响区稍微大一些。含杂质低的冷轧钢板的激光切割质量优于热轧钢板。镀锌钢板和涂塑薄钢板的激光切割效果很好,二、不锈钢的激光切割2 不锈钢一般采用高压氮气辅助切割，需要激光功率较高，切口白亮，不氧化、不变色。如用氧气助熔切割，在同样功率下切割速度可加快，但切口氧化变黑。不锈钢中含有10%20%的铬，由于铬的存在，倾向于破坏铁的氧化过程，使熔化层氧化不完全，反应热减少，切割速度较低。另一方面，由于熔化物没有完全氧化，与工件之间有较大的黏附力，不易完全从切口吹除，较易在切口的下缘留有熔化残渣。,图11切割不同材料钢材时的激光焦点位置,三、镍合金的激光切割 对镍合金的激光切割与不锈钢的切割相似，但由于熔融态的镍的黏度较高，更容易引发熔渣黏附在割缝背面，所以对镍合金的激光切割一般在较高的氧气压力下完成。随合金成分的不同，切割速度大约为切割同等厚度不锈钢的0.51.0倍。,四、钛及合金的激光切割 由于钛的氧化反应放热量很大，吹氧切割钛的氧化反应剧烈、切割速度较快，且很容易引起切口过烧，一般采用空气为辅助气体，更容易控制切割质量。而航空业常用的钛合金（Ti-6Al-4V）激光切割的质量较好，一般采用空气为辅助气体，在割缝的底部会产生少许粘渣，但很容易清除，而切口会由于吸收了氧，产生一硬脆氧化层。吹惰性气体可减少氧化污染问题，但切口附近存在的热影响区,五、铝及其合金的激光切割 由于铝及其合金的热导率大，对红外激光又有高反射率，连续激光很难完成穿孔。如打磨其表面使之变粗糙、涂吸光材料或阳极钝化铝表面，也可从边缘起切或从预先钻孔处起切。但切割铝及其合金的最有效办法，是采用高重复频率高峰值功率的脉冲激光，高的脉冲峰值功率能有效突破铝合金表面的吸收壁垒，获得良好的切缝。 六、铜材料的激光切割 铜和铝相似，对红外激光具有高反射率并具有高热导率，连续激光很难完成穿孔，属难切材料。采用高重复频率高峰值功率的脉冲激光，辅助吹氧，可以较好地切割铜合金。,3.2非金属材料的激光切割 对CO2激光，非金属材料几乎完全吸收10640nm的激光能量。一般切割所采用的辅助气体是空气。 非金属的切割可以是切割区的汽化、熔化或化学裂解。在某些情况下，材料切除过程是以上几种机制中的两个或三个的组合。 一、有机材料激光切割 纯的有机材料对YAG激光的透过率较大，所以不适合用YAG激光切割，而其对CO2激光几乎完全吸收，所以有机材料特别适用于CO2激光切割。它属于汽化切割，切口品质特别好。 紫外激光可以对一些有机聚合物进行冷切割，是一种化学分割过程，而不是一般的热切割过程，因此切口尖锐，没有任何熔化痕迹，品质极高。,二、纸张、木材等激光切割 纸张、木材等很容易采用激光进行切割。木材不熔化，属于汽化切割，同时在切割区发生化学裂解，裂解产物由气流吹除，切口断面覆盖有残余碳颗粒。由于切口材料无熔化流动，切口通常均很平滑。吹空气一般切缝会有黑色煳边，吹工业氮气切缝不会产生黑色煳边。对于较薄的材料，常用100W以下的中小功率CO2激光切割。对于较厚的材料，如多层胶木板的纸盒模板切割，常用5001500W的CO2激光切割，通过参数控制，可切割出宽度均匀的矩形割缝。,三、玻璃和石英的激光切割 玻璃材料对CO2激光的吸收率很高，能有效地吸收激光束的能量而被