激光加工技术激光切割

激光加工原理与技术激光加工系统激光打孔激光切割激光焊接激光弯折激光表面处理激光同位素分离激光快速成型激光镀膜激光印刷激光探矿激光测量1激光加工原理与技术

——激光切割安徽师范大学2激光切割激光切割的原理及分类激光切割的影响因素激光切割的优势和特点激光切割系统激光切割的典型应用3激光切割的原理及分类激光切割：利用聚焦的高功率密度激光束照射工件;在超过域值的激光功率密度的前提下，激光束的能量以及活性气体辅助切割过程所附加的化学反应热能全部被材料吸收；由此引起激光作用点的温度急剧上升,达到沸点后材料开始汽化，并形成孔洞；随着光束与工件的相对运动，最终使材料形成切缝，切缝处的熔渣被一定的辅助气体吹除。4激光切割的原理及分类激光切割可分为汽化切割、熔化切割和氧助燃切割。以氧助燃切割为应用最广。从切割不同材料可分为金属激光切割和非金属激光切割。5(1)汽化切割汽化切割:工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为108Ｗ/cm2左右，是无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。其机制如下：①激光加热材料，部分反射，部分吸收，材料反射率随温度升高而下降。②激光作用区温升快，足以避免热传导造成熔化。③蒸汽从工件表面以近似声速飞快逸出。

汽化切割只应用于那些不能熔化的木材，塑料和碳素等材料。飞秒激光切割属于气化切割.6(2)熔化切割熔化切割:激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为107Ｗ/cm2左右，适合金属材料。熔化切割的机制为：①激光束照射工件，除反射外其余能量加热材料并蒸发成小孔。②一旦小孔形成，它以黑体全部吸收光能，小孔被熔化金属壁所包围，依靠蒸汽流高速流动使熔壁保持相对稳定。③熔化等温线贯穿工件，依靠辅助吹气将熔化材料吹走。④随工件的移动，小孔横移一条切缝。7(3)氧助熔化切割氧助熔化切割:金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体压力将氧化物从切缝中吹掉。适用金属材料。

8(3)氧助熔化切割氧助熔化切割的机理是：①在激光照射下，材料达到燃烧温度，随之与氧接触，发生剧烈燃烧反应，放出大量热量，在激光和此热量共同作用下材料内部形成充满蒸汽的小孔，小孔周围被熔融体包围；②蒸汽流动使周围熔融金属壁向前移动，并发生热量和物质转移；③氧和金属的燃烧速度受燃烧物质转换成熔渣的限制，氧气扩散通过熔渣达到点火前沿，氧气流速越高，燃烧的化学反应越快；④在未达到燃烧温度的区域，氧气流冷却材料，缩小切割热影响区。⑤氧助切割存在激光辐射和化学反应热两个热源。9激光切割的影响因素激光切割质量包括：割缝入口处轮廓清晰，割缝窄、割缝边的热影响层小，无切割粘渣，切割表面光洁等。10激光切割的影响因素（1）材料特性（材料表面反射率、材料表面状态、材料的其他性能）（2）光束参数（模式和功率、激光束的偏振、激光束的聚焦、脉冲波光束）（3）切割速度（4）焦点位置（5）辅助气体压力除了以上最重要的变量以外，可能对切割质量产生影响的因素还包括割炬和喷嘴、外光路系统、工件固定等其他因素。11(1)材料特性12（2）激光横向模式13聚焦能力与光束模式有关。基模(TEM00)，光斑内能量呈高斯分布，几乎可把光束聚焦到理论上最小的尺寸。而高阶或多模光束的能量分布较扩张，经聚焦的光斑较大而能续密度较低，用它来切割材料犹如一把钝刀。（2）激光横向模式GaussianmodeLow-ordermodeMultimodeSurfaceheattreatmentCuttingorwelding14激光输出方式15(3)激光功率与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)激光功率与切割速度确定切割速度和切割厚度的主要参数是激光的功率和材料的性能。对于一定板厚，通常激光切割速度随激光功率呈线形增加。切缝宽度和热影响区均随激光切速的增加而减少，对于中碳钢，最好的切割质量和最小的热影响区为P/V～70J.mm-1。在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口表面粗糙度也有较大影响。18（4）切割粗糙度

对于金属激光切割的切口粗糙度，一般是上半段最好，中段次之，下段较差。切口粗糙度与切割的切口有关。19（5）焦点对切口的影响20

图所示为采用激光切割5mm厚合金钢板时的焦点位置与切割缝宽度的关系曲线。在焦距位置距工件表面1mm处所得到的割缝最窄。透镜焦长小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。它适用于簿件高速切割，此时应使焦距的位置维持恒定不变：长焦透镜的聚焦光斑功率密度低，但其焦深大，可用来切割厚材料：板材越厚，焦点位置的正常范围越窄。（5）焦点对切口的影响

工件至聚焦透镜的距离与焦距的比值a0在0.988<a0<1.003范围。例如，激光切割2.3mm的低碳钢板时，采用负离焦0.3至0.7mm为佳。21（6）聚焦镜22（6）辅助气体和喷嘴的影响23辅助气体的作用：※与金属产生放热化学反应，增加能量强度。※从切割区吹掉熔渣，清洁切缝；※冷却切缝邻近区域，减小热影响尺寸；※保护聚焦透镜，防止燃烧产物沾污光学镜片。（6）辅助气体和喷嘴的影响24喷嘴的设计原则※喷嘴孔尺寸必须容许光束顺利通过，避免孔内光束与喷嘴接触。※喷嘴喷出的辅助气流必须能使去除切缝内熔融物和加强切割作用有效耦合。气流量与喷嘴尺寸关系：（6）辅助气体和喷嘴的影响25激光切割对气流的基本要求：进入切口的气流量大；速度要高；以便有充足的氧气使切口材料充分进行放热反应，并有足够的动量将熔融材料喷射带出。而这些都与气流作用在工件表面的滞止压力有关，可称之为切割压力。为了得到高的切割速度和切口质量，切割压力应该大。当Pn/Pa=3，喷出超音速气流（6）辅助气体和喷嘴的影响

氧气流应以超声速的收敛型气流最好，以免切口下段扩大。对某种具体激光切割存在一个最佳的喷嘴直径。在作者的实验条件下，喷嘴直径以1.5mm最好。26（7）吹氧压力的影响

在不同激光功率及不同厚度情况，吹氧压力也存在一个最佳值。27（8）激光偏振态对激光切割的影响由图中可看到，采用圆偏振光，切口平直，与切割方向无关。切割系统一般用圆偏振镜。28激光切割优势和特点质量优势

技术特质实际应用

1．切割缝边缘热影响区小激光切割需要的总能量少大型电机硅钢铁芯下料

2．激光切割的切缝窄小激光切割的能量高度集中石油管的过滤缝切割

3．切割精度高、工件变形小激光聚焦光斑的直径小汽缸垫的切割成型

4．切割的重复性好，误差小

数控精密切割切割复杂形状的零件

5．激光切割面清洁光滑,不挂渣，无塌边切割的物理冶金过程完善装潢用切割成型金刚石锯片切割29噪声低，无公害

热影响区小，热影响层深度0.05--0.1mm，热畸变形小。

可在大气中或任意气体环境中进行切割，不需真空装置。

激光束聚焦后功率密度高，能切割各种材料，如高熔点材料、硬脆材料。

无刀具磨损，没有接触能量损耗，也不需更换刀具，易于实现自动控制。

割缝窄，一般为0.1--1mm。对轮廓复杂和小曲率半径等外形均能达到微米级精度的切割。30激光切割优势和特点3132（1）STS轴快流CO2laserfromU.S.

TEM00Mode

(高斯模式)

1000-3000Watts"D"Mode

(DimodalBeam)

1000-4000Watts"Q"Mode

(QuadramodalBeam)

2500-6000WattsSTS1000STS1500STS1800STS2000STS2200STS2500STS3000STS3500STS4000STS5000FH6000Type:33激光切割系统(2)华工恒信Lance轴快流激光器LANCESeriesFastFlowCO2LasersTEM00+01

(1000--4000Watts)34数控加工控制系统Self-rightingsystemMovingworkstationHand-holdtelecontrolIlluminationofworkareaChineseWindowscircumstanceFunctionofre-trackModemdiagnoseandmaintainFarspacediagnoseandserviceExpertcuttingapparatussystemDialogicfiguredisplayandeditgratingholdingsystemInnermistakenotesMultitaskworkingavailableAlarmequipmentFigurestoreandsoon3536(3)德国梅塞尔激光切割机373839404142434445464748激光切割典型应用49激光切割典型应用50金属材料激光切割：采用快轴流CO2激光器或Nd3+:YAG切割参数：非金属激光切割激光器：横流CO2激光器，不超过500w的中等激光功率。所需的激光功率：Q材料蒸发所需的能量（KJ/cm3）W切缝宽（cm）L板厚（cm）V切割速度（cm/s）51激光切割典型应用对于非金属材料，Q值可以小于0.4kJ·cm-3，而对于玻璃类材料，Q值可高于100kJ·cm-3。52

切割木材、纸张、布匹、塑料、橡胶、复合材料、玻璃及陶瓷等非金屑材料。激光切割木材可大大减少噪声。用激光切割纸张，切速高达15m/s。