《激光焊機(jī)器人操作及應(yīng)用》課件 7、激光切割原理、設(shè)備及工藝參數(shù)、8、激光切割技術(shù)及應(yīng)用；9、CO2激光切割

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一、激光切割的原理及特點(diǎn)2激光切割的原理及特點(diǎn)一、激光切割的原理

激光切割是利用高功率密度的激光束掃描割件表面，使材料熔化或氣化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，隨著氣化物的溢出和熔融物質(zhì)被高壓氣體吹走，便形成切口。主要采用CO2激光切割。

激光切割原理1激光器2激光束3反光鏡4聚焦鏡5輔助氣體6噴嘴7割件二、激光切割的分類31.激光熔化切割

2.激光氣化切割

3.激光氧氣切割。

4.激光劃片與控制斷裂激光切割的原理及特點(diǎn)三、激光切割的特點(diǎn)41.優(yōu)點(diǎn)

（1）切割質(zhì)量好（2）切割速度快，精度高（3）不損傷工件（4）不受割件的材料硬度和形狀影響（5）可以對(duì)非金屬材料進(jìn)行切割加工

（6）節(jié)省材料、降低成本（7）提高新產(chǎn)品開發(fā)速度2.缺點(diǎn)（1）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，而且隨著厚度的增加，切割速度明顯下降。（2）激光切割設(shè)備價(jià)格髙，一次性投資大。激光切割的原理及特點(diǎn)四、激光切割的應(yīng)用5汽車制造領(lǐng)域普通鋁、不銹鋼領(lǐng)域

航空航天領(lǐng)域非金屬材料領(lǐng)域激光切割的原理及特點(diǎn)6二、激光切割的設(shè)備

7激光切割的設(shè)備

激光切割機(jī)構(gòu)成如下：

一、激光器二、激光導(dǎo)光系統(tǒng)三、數(shù)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)四、割炬等組成

8一、激光器二、激光導(dǎo)光系統(tǒng)激光器主要有：固體激光器、氣體激光器和光纖激光器。1.反射鏡一般由金屬制作，表面電鍍一層對(duì)激光具有強(qiáng)反射性的金屬物質(zhì)。2.聚焦鏡使激光束透過鏡片并聚焦，能使激光束的能量聚集到一點(diǎn)，聚焦的點(diǎn)越小，能量就越集中。激光切割的設(shè)備

9三、數(shù)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)激光切割設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。割炬與工件的相對(duì)移動(dòng)有三種情況：1.割炬不動(dòng)，工作臺(tái)帶動(dòng)工件運(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)

激光切割的設(shè)備

10四、割炬割炬主要包括：槍體、反射鏡、聚焦鏡和噴嘴等零件。激光切割的設(shè)備

激光割炬的結(jié)構(gòu)

1-工件2-噴嘴3-氧氣進(jìn)氣管

4-氧氣壓力表5-聚焦鏡冷卻水套

6-聚焦鏡7-激光束

8-反射鏡冷卻水套9-反射鏡

10-伺服電動(dòng)機(jī)11-滾珠絲杠

12-放大控制及驅(qū)動(dòng)電器

13-位置傳感器111.割炬能夠噴射出足夠的氣流。2.割炬內(nèi)氣體的噴射方向必須和反射鏡的光軸同軸。

3.割炬的透鏡焦距能夠方便地調(diào)節(jié)。4.切割時(shí)，能保證金屬蒸氣和切割金屬的飛濺物不會(huì)損傷反射鏡。激光切割時(shí)，割炬必須滿足下列要求：

激光切割的設(shè)備

12三、激光切割參數(shù)

13激光切割參數(shù)

激光切割的主要參數(shù)如下：

一、激光切割功率和切割速度

二、透鏡焦距和焦點(diǎn)位置三、噴嘴的形狀和噴嘴到工件表面的距離四、輔助氣體種類和壓力14一、激光切割功率與切割速度切割速度隨激光器功率和噴氣壓力增大而增大隨工件厚度增大而減小激光切割參數(shù)

15二、透鏡焦距和焦點(diǎn)位置（離焦量）透鏡焦距小，功率密度高，但焦深不大，適于薄件高速切割；透鏡焦距大，功率密度低，但焦深大，適于厚件低速切割。激光切割參數(shù)

161.噴嘴形狀的選擇三、噴嘴的形狀和噴嘴到工件的距離

常見的激光氧氣切割用噴嘴的形狀a)收縮準(zhǔn)直行b)收縮性c)準(zhǔn)直收縮性d)收縮擴(kuò)張性激光切割參數(shù)

2.噴嘴到工件表面的距離

噴嘴離工件表面一般控制噴嘴端面至工件表面的距離為0.5～2mm17常用的輔助氣體是氧氣。切割不銹鋼時(shí)，常使用氧氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w。氣體壓力增大，排渣能力增強(qiáng)，可使切割速度增大；但壓力過大，切割面反而會(huì)粗糙。四、輔助氣體的種類和氣體壓力激光切割參數(shù)

END

激光切割技術(shù)圖4.3

切割品質(zhì)與焦點(diǎn)位置的關(guān)系圖4.4

割縫寬度與焦點(diǎn)位置的關(guān)系圖4.6

割縫寬度和激光功率的關(guān)系（1kgf/cm2＝98.0665kPa）圖4.7

切割品質(zhì)隨功率與切割速度的變化（1kgf/cm2＝98.0665kPa）

圖4.8

幾種CO2激光束橫截面強(qiáng)度分布圖4.9

高功率固體激光通過光纖后光束橫截面強(qiáng)度分布

圖4.10

3300W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

/mm．mrad不穩(wěn)定5351794.5表4.1

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

/mm．mrad25122.50.351.425表4.2工業(yè)用固體激光器的光束品質(zhì)

圖4.11切割不同材料鋼材時(shí)的激光焦點(diǎn)位置

4.4.1板金件激光切割圖4.12激光切割的板金件

一、一般金屬板的激光切割

圖4.13

激光切割的合金齒輪圖4.14

激光切割的合金鋸片圖4.15

激光切割的機(jī)箱殼板

圖4.16

德國(guó)TRUMPF公司的平面切割機(jī)床

圖4.17

CO2激光加工機(jī)器人

圖4.19

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4.20

激光切割的透明有機(jī)板

圖4.21激光切割的皮件

1.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(zhǎng)，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。圖4.22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4.23割縫斷面為梯形的激光割縫管樣件

4.割縫品質(zhì)割縫面粗糙度為Ra＜6.3

m，熱影響硬化層厚度為0.3mm。圖4.24管材專用激光切割系統(tǒng)圖4.25激光切割的平面木模切板

圖4.26激光切割的圓形模切板

圖4.27

模切板的激光切割機(jī)圖4.28三維激光切割機(jī)

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4.29微噴水波導(dǎo)激光切割芯片原理圖4.30

Synova公司的微噴水波導(dǎo)激光

切割機(jī)圖4.31微噴水波導(dǎo)激光切割100

m厚硅芯片的不同圖形照片圖4.32微噴水波導(dǎo)激光切割180

m厚GaAs/Ge芯片的不同圖形照片圖4.33

很強(qiáng)的初始脈沖會(huì)產(chǎn)生一個(gè)凹坑并破壞芯片

圖4.34紫外激光切割的高分子聚合物模板

圖4.35

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(shì)，其開口也呈梯形。圖4.36

激光切割模板及其開口電子顯微鏡照片

圖4.37不銹鋼模板切孔背面顯微照片

圖4.38

LPKF激光模板切割機(jī)及不銹鋼模板

圖4.39紫外脈沖激光切割的晶圓模板圖4.40紫外激光切割的630

m厚已燒

結(jié)陶瓷基材圖4.41

355nm的DPSS激光加工的樣品圖4.42

小型手動(dòng)固體激光加工設(shè)備圖4.43

三維激光加工機(jī)器人

圖4.44

4000W連續(xù)片狀固體激光器圖4.45

微加工用的750W連續(xù)片狀固

體激光器圖4.46

IPG公司的單光纖激光器63

CO2

激光切割64

一、CO2激光切割設(shè)備65CO2激光切割的設(shè)備CO2激光切割機(jī)構(gòu)造：

激光器激光導(dǎo)光系統(tǒng)數(shù)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)割炬等組成

66一、激光器二、激光導(dǎo)光系統(tǒng)激光器有固體激光器和氣體激光器兩種。1.反射鏡一般由金屬制作，表面電鍍一層對(duì)激光具有強(qiáng)反射性的金屬物質(zhì)。2.聚焦鏡使激光束透過鏡片并聚焦，能使激光束的能量聚集到一點(diǎn)，聚焦的點(diǎn)越小，能量就越集中。CO2激光切割的設(shè)備三、數(shù)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)67利用計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)激光切割設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。割炬與工件的相對(duì)移動(dòng)有三種情況：1.割炬不動(dòng)，工作臺(tái)帶動(dòng)工件運(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)

CO2激光切割的設(shè)備68四、割炬割炬主要包括：槍體、反射鏡、聚焦鏡和噴嘴等零件。

激光割炬的結(jié)構(gòu)

1-工件2-噴嘴3-氧氣進(jìn)氣管

4-氧氣壓力表5-聚焦鏡冷卻水套

6-聚焦鏡7-激光束

8-反射鏡冷卻水套9-反射鏡

10-伺服電動(dòng)機(jī)11-滾珠絲杠

12-放大控制及驅(qū)動(dòng)電器

13-位置傳感器CO2激光切割的設(shè)備691.割炬能夠噴射出足夠的氣流。2.割炬內(nèi)氣體的噴射方向必須和反射鏡的光軸同軸。

3.割炬的透鏡焦距能夠方便地調(diào)節(jié)。4.切割時(shí)，能保證金屬蒸氣和切割金屬的飛濺物不會(huì)損傷反射鏡。激光切割時(shí)，割炬必須滿足下列要求：

CO2激光切割的設(shè)備70

二、激光切割的原理及特點(diǎn)71激光切割的原理及特點(diǎn)一、激光切割的原理

CO2激光切割是利用高功率密度的激光束掃描割件表面，使材料熔化或氣化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，隨著氣化物的溢出和熔融物質(zhì)被高壓氣體吹走，便形成切口。主要采用激光切割。

激光切割原理1激光器2激光束3反光鏡4聚焦鏡5輔助氣體6噴嘴7割件72二、激光切割的分類1.激光熔化切割

2.激光氣化切割

3.激光氧氣切割。

4.激光劃片與控制斷裂激光切割的原理及特點(diǎn)73三、激光切割的特點(diǎn)1.優(yōu)點(diǎn)

（1）切割質(zhì)量好（2）切割速度快，精度高（3）不損傷工件（4）不受割件的材料硬度和形狀影響（5）可以對(duì)非金屬材料進(jìn)行切割加工

（6）節(jié)省材料、降低成本（7）提高新產(chǎn)品開發(fā)速度2.缺點(diǎn)（1）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，而且隨著厚度的增加，切割速度明顯下降