激光切割技術(shù)

1、 激光切割技術(shù)1. 激光切割技術(shù)基本概念激光切割是利用高能量密度的激光束作為“切割工具”對(duì)材料進(jìn)行熱切割的一種材料加工方式，是激光加工行業(yè)中最重要的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)。1971年用CO2激光切割包裝用夾板，首次開(kāi)辟了激光切割在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。隨著激光切割設(shè)備的不斷更新和切割工藝的日益先進(jìn)，激光切割技術(shù)可實(shí)現(xiàn)各種金屬，非金屬板材及眾多復(fù)雜零件的切割，在汽車工業(yè)，航空航天，國(guó)防等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。2. 激光切割技術(shù)基本原理和分類 2.1 激光切割技術(shù)基本原理在激光束能量作用下，材料表面被迅速加熱到幾千至上萬(wàn)度而熔化或氣化，隨著氣化物逸出和熔融物體被輔助高壓氣體吹走，達(dá)到切割材料的目的。脈沖激光適用于

2、金屬材料，連續(xù)激光適用于非金屬材料。2.2激光切割技術(shù)的分類激光切割可分為：激光氣化切割，激光熔化切割，激光氧化切割和激光劃片與控制斷裂四類。 （1）激光氣化切割：利用高能量密度的激光束加熱工件，使溫度迅速上升，在非常短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到材料的沸點(diǎn)，材料開(kāi)始?xì)饣?，形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大，在蒸氣噴出的同時(shí)，在材料上形成切口。材料的氣化熱很大，所以激光氣化切割時(shí)需要很大的功率和功率密度。激光氣化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料的切割。 （2）激光熔化切割：激光加熱使金屬材料熔化，然后通過(guò)與光束同軸的噴嘴吹非氧化性氣體，依靠氣體的強(qiáng)大壓力使液態(tài)金屬排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金屬完全氣

3、化，所需能量只有氣化切割的1/10。激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割，如不銹鋼，鈦，鋁及其合金等。 （3）激光氧化切割：原理類似于氧-乙炔切割。是用激光作為預(yù)熱熱源，用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體與切割金屬發(fā)生作用，發(fā)生氧化反應(yīng)，放出大量的氧化熱；另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應(yīng)區(qū)吹出，在金屬中形成切口。由于切割過(guò)程中的氧化反應(yīng)產(chǎn)生了大量的熱，所以激光氧化切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光氣化切割和熔化切割。激光氧化切割主要用于碳鋼，鈦鋼以及熱處理等易氧化的金屬材料。(4) 激光劃片與斷裂控制：激光劃片是利用高能量密度的激光束在脆

4、性材料的表面進(jìn)行掃描，使材料受熱蒸發(fā)出一條小槽，然后施加一定的壓力，脆性材料就會(huì)沿小槽處裂開(kāi)。激光劃片用的激光器一般為Q開(kāi)關(guān)激光器和CO2激光器。斷裂控制是利用激光刻槽時(shí)所產(chǎn)生的陡峭的溫度分布，在脆性材料中產(chǎn)生局部熱應(yīng)力，使材料沿小槽斷開(kāi)。3. 激光切割的工藝特點(diǎn)和應(yīng)用范圍 3.1 激光切割工藝特點(diǎn) （1）切割質(zhì)量好，精細(xì) 由于激光光斑小，激光切割切口細(xì)窄，切割表面光潔，熱影響區(qū)寬度很小，變形小，切割零件的尺寸精度可達(dá)±0.05mm，表面粗糙度只有幾十微米，甚至激光切割可以作為最后一道工序。 （2）切割效率高 由于激光的傳輸特性，激光切割機(jī)上一般配有數(shù)控工作臺(tái)，整個(gè)切割過(guò)程可全部實(shí)現(xiàn)

5、數(shù)控。操作時(shí)，只需改變數(shù)控程序，就可適用不同形狀零件的切割，既可進(jìn)行二維切割，又可實(shí)現(xiàn)三位切割。材料在激光切割時(shí)不需要裝夾固定，既可節(jié)省工裝夾具，又節(jié)省了上，下料的時(shí)間。（3）非接觸式切割 激光切割時(shí)割炬與工件無(wú)接觸，不存在工具的磨損。加工不同形狀的零件，不需要更換“刀具”，只需要改變激光器的輸出參數(shù)。激光切割過(guò)程噪聲低，振動(dòng)小，無(wú)污染。（4） 切割材料的種類多 激光切割材料包括金屬，非金屬，金屬基和非金屬基復(fù)合材料，皮革，木材及纖維等。對(duì)于不同的材料，由于自身的熱物理性能及對(duì)激光的吸收率不同，表現(xiàn)出不同的激光切割適應(yīng)性。 （5） 缺點(diǎn)：激光切割由于受激光器功率和設(shè)備體積的限制，激光切割只能切

6、割中、小厚度的板材和管材，而且隨著工件厚度的增加，切割速度明顯下降。3.2 激光切割的應(yīng)用在材料方面受激光器功率和設(shè)備體積的限制，激光切割只能切割中，小厚度的板材和管材，而且隨著工件厚度的增加，切割速度明顯下降。激光切割設(shè)備費(fèi)用高，一次性投資大。大多數(shù)激光切割機(jī)都由數(shù)控程序進(jìn)行控制操作或做成切割機(jī)器人。激光切割作為一種精密的加工方法，幾乎可以切割所有的材料，包括薄金屬板的二維切割或三維切割。在汽車制造領(lǐng)域，小汽車頂窗等空間曲線的切割技術(shù)都已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。德國(guó)大眾汽車公司用功率為500W的激光器切割形狀復(fù)雜的車身薄板及各種曲面件。在航空航天領(lǐng)域，激光切割技術(shù)主要用于特種航空材料的切割，如鈦合金

7、、鋁合金、鎳合金、鉻合金、不銹鋼、氧化鈹、復(fù)合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒、鈦合金薄壁機(jī)匣、飛機(jī)框架、鈦合金蒙皮、機(jī)翼長(zhǎng)桁、尾翼壁板、直升機(jī)主旋翼、航天飛機(jī)陶瓷隔熱瓦等。激光切割成形技術(shù)在非金屬材料領(lǐng)域也有著較為廣泛的應(yīng)用。不僅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；還能切割加工柔性材料，如布料、紙張、塑料板、橡膠等，如用激光進(jìn)行服裝剪裁，可節(jié)約衣料10%12%，提高功效3倍以上。適合采用CO2激光切割的產(chǎn)品大體上可歸納為三類：第一類：從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度不宜制造模具的金屬鈑金件，特別是輪廓形狀復(fù)雜，批量不大,一般厚度；12mm的低碳鋼、；6m

8、m厚的不銹鋼，以節(jié)省制造模具的成本與周期 。已采用的典型產(chǎn)品有：自動(dòng)電梯結(jié)構(gòu)件、升降電梯面板、機(jī)床及糧食機(jī)械外罩、各種電氣柜、開(kāi)關(guān)柜、紡織機(jī)械零件、工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件、大電機(jī)硅鋼片等。第二類：裝飾、廣告、服務(wù)行業(yè)用的不銹鋼（一般厚度3mm）或非金屬材料（一般厚度20mm）的圖案、標(biāo)記、字體等。如藝術(shù)照相冊(cè)的圖案，公司、單位、賓館、商場(chǎng)的標(biāo)記，車站、碼頭、公共場(chǎng)所的中英文字體。第三類：要求均勻切縫的特殊零件。最廣泛應(yīng)用的典型零件是包裝印刷行業(yè)用的模切版，它要求在20mm厚的木模板上切出縫寬為0.70.8mm的槽，然后在槽中鑲嵌刀片。使用時(shí)裝在模切機(jī)上，切下各種已印刷好圖形的包裝盒。國(guó)內(nèi)近幾年來(lái)應(yīng)用的

9、一個(gè)新領(lǐng)域是石油篩縫管。為了擋住泥沙進(jìn)入抽油泵，在壁厚為69mm的合金鋼管上切出0.3mm寬的均勻切縫，起割穿孔處小孔直徑不能大于0.3mm，切割技術(shù)難度大，已有不少單位投入生產(chǎn)。4. 激光切割工藝參數(shù)與質(zhì)量評(píng)定4.1激光切割工藝參數(shù)（1）光束橫模1 基模 又稱為高斯模，是切割最理想的模式，主要出現(xiàn)在功率小于1kw的激光器。2 低階模 與基模比較接近，主要出現(xiàn)在1-2kw的中功率激光器。3 多模 是高階模的混合，出現(xiàn)在功率大與3kw的激光器（2） 激光功率 激光切割所需要的激光功率主要取決于切割類型以及被切割材料的性質(zhì)。氣化切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧氣切割最小。激光功率對(duì)切割厚

10、度、切割速度和切口寬度等有很大影響。一般激光功率增大，所能切割材料的厚度也增加，切割速度加快，切口寬度也有所加大。（3） 焦點(diǎn)位置 離焦量對(duì)切口寬度和切割深度影響較大。一般選擇焦點(diǎn)位于材料表面下方約1/3板厚處，切割深度最大，切口寬度最小。（4） 焦點(diǎn)深度 切割較厚板時(shí)，應(yīng)采用焦點(diǎn)深度大的光束，以獲得垂直度較好的切割面。但焦點(diǎn)深度大，光斑直徑也增大，功率密度隨之減小，使切割速度降低。若要保持一定的切割速度，則需要增大激光的功率；切割薄板宜采用較小的焦點(diǎn)深度，這樣光斑直徑小，功率密度高，切割速度加快。（5） 切割速度 切割速度直接影響切口寬度和切口表面粗糙度。對(duì)于不同材料的板厚，不同的切割氣體壓

11、力，切割速度有一個(gè)最佳值，這個(gè)最佳值約為最大切割速度的80%。（6） 輔助氣體的種類和壓力切割低碳鋼較多采用氧氣作輔助氣體，以利用鐵-氧燃燒反應(yīng)熱促進(jìn)切割過(guò)程，而且切割速度快，切口質(zhì)量好，可以獲得無(wú)掛渣的切口。切割不銹鋼時(shí)，常采用O2+N2混合氣體或雙層氣流，單用氧氣在切口底邊會(huì)發(fā)生掛渣。氣體壓力增大，動(dòng)量增加，排渣能力增強(qiáng)，因此可以使無(wú)掛渣的切割速度增加。氧氣純度對(duì)切割速度有一定的影響，研究表明，氧氣純度降低2%，切割速度就會(huì)降低50%。噴嘴形狀也影響激光切割質(zhì)量和效率。不同切割機(jī)采用不同形狀的噴嘴。4.2激光切割質(zhì)量評(píng)定與其它常規(guī)加工方法相比，激光切割具有更大的適應(yīng)性。首先，與其他熱切割方

12、法相比，同樣作為熱切割過(guò)程，別的方法不能象激光束那樣作用于一個(gè)極小的區(qū)域，結(jié)果導(dǎo)致切口寬、熱影響區(qū)大和明顯的工件變形。激光能切割非金屬，而其它熱切割方法則不能。一般來(lái)說(shuō)，激光切割質(zhì)量可以由以下6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量。（1） 切割表面粗糙度RZ（2）切口掛渣尺寸（3）切邊垂直度和斜度u（4）切割邊緣圓角尺寸r（5）條紋后拖量n（6）平面度F5. 激光切割設(shè)備 激光切割設(shè)備與焊接設(shè)備基本類似，區(qū)別是焊接需要使用激光焊槍，而切割使用激光割炬。激光切割大都采用CO2激光切割設(shè)備，主要由激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、數(shù)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、割炬及抽煙系統(tǒng)組成。激光器由激光電源提供高壓電源，產(chǎn)生的激光經(jīng)反射鏡、導(dǎo)光系統(tǒng)把激光導(dǎo)向切割工

13、件所需要的方向；數(shù)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要用于調(diào)節(jié)割炬的移動(dòng)方向，割炬與工件間的相對(duì)移動(dòng)有三種情況。1 割炬不動(dòng)，工件通過(guò)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，主要用于尺寸較小的工件。2 工件不動(dòng)割炬移動(dòng)3 割炬和工作臺(tái)同時(shí)運(yùn)動(dòng)。割炬主要包括槍體、聚焦透鏡和輔助氣體噴嘴等零件。激光切割時(shí)，割炬必須滿足下列要求。4 能夠噴射出足夠的氣流。5 割炬內(nèi)氣體的噴射方向必須和反射鏡的光軸同軸。6 割炬的焦距能夠方便調(diào)節(jié)。7 切割時(shí)，保證金屬蒸汽和切割金屬的飛濺不會(huì)損傷反射鏡。 激光切割時(shí)，要求激光器輸出的光束經(jīng)聚焦后的光斑直徑最小，功率密度最高。噴嘴用于向切割區(qū)噴射輔助氣體，其結(jié)構(gòu)形狀對(duì)切割效率和質(zhì)量有一定影響。噴孔的形狀有圓柱形、錐形、

14、和縮放形等。一般根據(jù)切割工件的材質(zhì)、厚度、輔助氣體壓力等經(jīng)試驗(yàn)后確定。6. 激光切割的應(yīng)用實(shí)例6.1布料激光切割 制衣行業(yè)中使用的服裝布料激光切割機(jī)打破了傳統(tǒng)手工和電剪速度慢和難以排版,充分解決了效率達(dá)不到和浪費(fèi)材料的難題.速度快，操作簡(jiǎn)單，只需把所要裁剪的圖形及尺寸輸入到電腦，機(jī)械就會(huì)把整張的材料裁剪成您所需要的成品，不用刀具、不需要模具，利用激光實(shí)現(xiàn)非接觸式加工，簡(jiǎn)便快速。布料激光切割機(jī)與傳統(tǒng)的切割方式相比不僅價(jià)格低,消耗低.操作更方便，效果更好，并且因?yàn)榧す饧庸?duì)工件沒(méi)有機(jī)械壓力,所以切割出來(lái)產(chǎn)品的效果,精度以及切割速度都非常良好.并且還具有操作安全,維修簡(jiǎn)單等特點(diǎn).可連續(xù)24小時(shí)工作。

15、用于皮革、箱包企業(yè)及皮鞋、鞋材生產(chǎn)企業(yè)的激光切割雕刻機(jī), 集切割、雕刻和鏤空于一身，適用各種皮革料的加工：高檔鞋材、皮包、皮衣切割特殊形狀，無(wú)毛邊，尺寸標(biāo)準(zhǔn)，誤差?。?#177;0.1mm），效果柔軟，無(wú)高周波或刀模切壓的生硬感。另可于皮革上刻畫(huà)特別效果或圖案，使成品更顯精細(xì)及別具創(chuàng)意。6.2激光切割在飾品中的應(yīng)用飾品加工是一門對(duì)比特殊的職業(yè)，由于主要是針對(duì)一些稀有的貴金屬的加工改造，所以對(duì)加工改造的設(shè)備要求十分的高?？墒沁@對(duì)小型激光切開(kāi)機(jī)來(lái)說(shuō)，確是一個(gè)十分好的機(jī)會(huì)，它極好的處理了加工飾品中的一些難題，并且受到了各個(gè)廠家的熱捧。運(yùn)用小型激光切割機(jī)加工飾品在不需開(kāi)模的情況下，就可以直接加工出想要

16、的商品，并且精度十分的高，加工時(shí)刻只需要短短的幾分鐘就可以。不僅縮短了加工時(shí)刻，還降低了成本。6.3激光切割在眼鏡行業(yè)中的應(yīng)用以往眼鏡行業(yè)主要利用模具做鏡框，不同樣式需要做不同模具，所需成本高，效率低。直到激光切割機(jī)投入后，開(kāi)發(fā)新的款式只需在軟件上呈現(xiàn)，速度快、精度大，特別適合小量、多款式的生產(chǎn)模式。甚至可以做到一臺(tái)光纖激光切割機(jī)能夠快速加工出了不同款式的眼框，為個(gè)性定制眼鏡解決后顧之憂。 除此之外，激光切割機(jī)能夠在板材上任意的設(shè)計(jì)圖形，速度快，精度高，一次成型，無(wú)需后續(xù)處理，比傳統(tǒng)切割設(shè)備快十幾倍，極大的提高加工效率，可視排料，緊密貼合，節(jié)省材料。先進(jìn)的工藝可提高眼鏡廠家的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度，能夠快速收回設(shè)備投資成本。 眼鏡專用激光切割機(jī)能在板材上切割任意的設(shè)計(jì)圖形，速度快，精度高，一次成型，無(wú)需后續(xù)處理，比線切割快十幾倍，極大的提高加工效率，可視排料，緊密貼合，節(jié)省材料。先進(jìn)的工藝可提高貴公司的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度，最快為您收回設(shè)備投資成本。一機(jī)多用，既能滿足客戶對(duì)平板的切割要求，也能滿足管圓及異形材料（方鋼、扁鐵、槽鋼、方管）的切割。6.4激光雕刻使用激