激光加工技术

29四月2024

激光加工技术3.激光表面改性技术2.激光焊接1.激光打孔和切割4.激光清洗技术

29四月2024

激光打孔

在元件上开个小孔是件很常见的事。但是，如果要求在坚硬的材料上，比如在硬质合金上打大量0.1毫米到几微米直径的小孔，用普通的机械加工工具怕是不容易办到，即使能够做，加工成本也会很高。现有的机械加工技术在材料上打微型小孔是采用每分钟数万转或者几十万转的高速旋转小钻头加工的，用这个办法一般也只能加工孔径大于0.25毫米的小孔。在今天的工业生产中往往是要求加工直径比这还小的孔。比如在电子工业生产中，多层印刷电路板的生产，就要求在板上钻成千上万个直径约为0.1～0.3毫米的小孔。显然，采用刚才说的钻头来加工，遇到的困难就比较大，加工质量不容易保证，加工成本不低。早在本世纪60年代后，科学家在实验室就用激光在钢质刀片上打出微小孔，经过近30年的改进和发展，如今用激光在材料上打微小直径的小孔已无困难，而且加工质量好。打出的小孔孔壁规整，没有什么毛刺。打孔速度又很快，大约千分之一秒的时间就可以打出一个孔。激光打孔的特点1、激光打孔速度快，效率高，经济效益好。

利用功率密度为107~109W/cm2的高能激光束对材料进行瞬间作用，作用时间只有10-3~10-5s，因此打孔速度快。例1：用机械方法在金刚石拉丝模上一个孔（深1.25mm）需24h，用红宝石激光打孔只需6~9min，而用YAG激光打孔只需2s。

例2：

用机械方法在钟表宝石轴承上打孔（孔径为0.3mm），每秒钟只能打0.2个孔；用红宝石激光打孔，每秒钟可以打出10~14个孔。例3：化纤喷丝头用难熔硬质合金制成，在直径10cm的喷丝头上需打出一万多个直径为几十微米的小孔；用机械钻孔需要四、五个熟练工人加工一星期；改用激光打孔只需一个人操作，两个小时即可完成。例4、用钕玻璃激光打孔机加工柴油机喷油嘴，与电火花相比，工效提高14倍。

由于激光打孔速度快、效率高、易于实现计算机程序控制，因此大大降低了打孔加工工时。

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激光打孔的特点2、激光打孔可获得大的深径比。在小孔加工中，深径比是衡量小孔加工难度的一个重要指标。一般情况下，机械钻孔和电火花打孔所获得的深径比值不超过10。使用增设腔内光阑、增加Q开关或调整导光系统参数的方法，来改变打孔光束质量时，很容易获得高质量、大深径比的小孔。例1：用带Q开关的连续YAG激光器在镍基高温耐腐蚀合金的高熔点金属上打2~10um的小孔，其深径比为250:1。例2：在淬火模具钢上，用YAG激光打出直径为0.6mm、深度为17mm的孔，其深径比为28:1。例3：在碳钢上，通过对导光系统参数进行调整，在厚度为16.2mm时，打出孔径为0.25mm的小孔，其深径比为65:1。

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激光打孔的特点3、激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。难加工材料具有高强度、高硬度、低热导率、加工已硬化、化学亲和力强等性质，因此在切削加工中阻力大、温度高、工具寿命短，表面粗糙度差、切斜面上打孔等因素使打孔的难度更大。而用激光在这些难加工的材料上打孔，以上问题都可以解决。特别是在弹性材料上，由于弹性材料易变形，很难用一般方法打孔。例1：在婴儿奶瓶的奶嘴上打孔，由于在打孔过程中奶嘴材料易变形，使得孔径不规则，所以打孔比较困难。可用分光束器将单个激光脉冲分成三部分，用光学系统聚焦，同时打出两个通气孔和一个食奶孔。例2：用铝掩膜和同轴喷气方法能使二氧化碳激光在塑料和薄橡胶片上打大量的小孔；例3：激光可以加工气溶胶塑料喷嘴小孔；在尼龙钮扣上打孔可以避免用机械方法打孔时产生的碎屑，还能够消除使缝纫线割断的棱角等。

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激光打孔的特点4、激光打孔无工具损耗激光打孔为无接触加工，避免了机械钻打微孔时易断钻头的问题。5、激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。

激光打孔机可以和自动控制系统及微机配合，实现光、机电一体化，使得激光打孔过程准确无误的重复成千上万次。例1：食品、制药行业使用的过滤片厚度为1~3mm，材料为不锈钢，孔径为0.3~0.8mm，密度为10~100孔/cm2。例2：为了达到节油40%的目的，要在飞机机翼上打出5万个直径为0.064mm的孔。在飞机的防冰系统中用激光加工出34.5万多个小孔。在一台推力为一万公斤以上的现代航空发动机的涡轮叶片及火焰筒等零件上加工出7~10万个冷却小孔。若采用气膜和发散冷却技术，小孔数量可达50万个。这些大数量的孔非激光打孔莫属。

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激光打孔的特点6、用激光可在难加工材料斜面上加工小孔

倾斜面上的小孔加工的主要问题是钻头入钻困难，钻头切削刃在倾斜平面上单刃切削，两边受力不均，产生打滑难以入钻，甚至产生钻头折断。而激光特别适合于加工与工件表面成6o~9o角的小孔。

另外，由于激光打孔过程与工件不接触，加工出来的工件清洁，没污染。而且激光加工时间短，对被加工的材料氧化、变形、热影响区域均较小，不需要特别保护。激光不仅能对置于空气中的工件打孔，而且也能对置于真空中或其他条件下的工件进行打孔。

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激光打孔原理：加工头将激光束聚焦在材料上需加工孔的位置，适当选择各加工参数，激光器发出光脉冲就可以加工出需要的孔。

激光打孔的原理

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激光打孔的过程由激光加热开始聚焦的高能光束照射到被加工材料表面材料获取能量材料表面温度达到104℃以上高温当温度升到略低于材料的蒸发温度时激光对材料的破坏开始固态金属发生相变出现液相气相热能继续增加金属蒸气以较高的压力从液相底部喷出（通常所看到的火花溅射）完成打孔过程在飞溅物中有80%是液相物质，它被高压金属蒸气从孔内排出。液相物质的溅出也可能是液相物质的沸腾造成。沸腾的原因是激光能量使液相物质过热。

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以激光脉冲为例分析激光打孔的过程把激光脉冲宽度分为5个小段“1”段为前缘“2”，“3”，“4”段为稳定输出阶段“5”段为尾缘当“1”进入材料后，材料开始被加热，由于材料的表面反射，加热比较缓慢，热向内部传导，造成大区域的材料升温，相变以熔化为主，相变区面积大而深度浅。当“2”进入材料后，因材料相变吸收率增大，加热剧烈，熔融区面积缩小而深度增加，孔径开始收敛，蒸气开始出现。当“3”“4”段进入材料后，打孔过程相对稳定，材料的汽化比例剧增至最大程度，蒸气带着液相材料飞溅，行程孔的圆柱段。当“5”段进入材料后，材料的加热已临近终止，汽化及熔化趋于结束，从而形成了孔的尖锐的锥形孔底。激光打孔过程

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物质的蒸发和熔化是促使激光在材料上成孔的两个基本过程。增大孔深主要靠蒸发增大直径靠孔壁熔化和剩余蒸气压力排出液体当激光作用于金属时，所形成的等离子体对激光的吸收在激光密度大于等于108~109W/cm2时开始起明显作用，这个数值作为激光打孔所需密度范围的上限。下限由激光脉冲在终了的瞬间开始形成凹坑的激光密度来确定，大致相当于金属开始破坏的阈值密度。

以激光脉冲为例分析激光打孔的过程

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1）功率密度要求106~109W/cm2的脉冲激光2）孔深最大气化深度Eo是激光输入能量Tb是激光开始作用时材料的表面温度To是常温时材料的表面温度Lm，Lv分别为材料的熔化与气化潜热（激光打孔宜采用高功率密度的脉冲激光打孔）

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3）打孔质量的影响因素（脉宽和聚焦位置）怎样用好激光“钻头”？A、脉冲能量一定时：脉宽增加，功率密度下降，融熔了的材料没有办法充分汽化，却把在它附近的材料加热，使熔化层增厚，结果，被打出来的小孔在形状大小上就不那么规整。如果使用的是高重复率激光器输出的光脉冲，这时每个光脉冲平均的能量并不很高，但由于光脉冲的宽度窄，功率水平却不低。于是每个激光脉冲在材料上形成的融熔体不多，主要是发生汽化。由于使小孔附近的材料加热时融熔体很少，因而也就不出现在用单脉冲打孔时出现的事。打出的小孔形状和大小就规整得多了。B、焦点位置的选择：对于比较厚的材料，激光束焦点位置应位于工件的内部，如果材料比较薄，激光束焦点需放在工件表面的上方。这样的安排会让打出来的小孔上下大小基本上一致，不出现“桶状”的小孔。

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离焦量对打孔质量的影响在激光打孔中，材料上表面与聚焦透镜焦点之间的距离成为离焦量。激光打孔中离焦量对打孔的影响激光打孔的分类1、复制法激光束以一定的形状及精度重复照射到工件固定的一点上，在和辐射传播方向垂直的方向上，没有光束和工件的相对位移。复制法一般采用多脉冲法特点：可使工件上能量的横向扩散减至

最小，有助于控制孔的大小和形状

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激光打孔的分类2、轮廓迂回法加工表面形状由激光束和被加工工件相对位移的轨迹决定。激光器可在脉冲状态下或连续状态下工作。用脉冲方式时，由于孔以一定的位移量连续地彼此迭加，从而形成一个连续的轮廓。采用轮廓加工，可把孔扩大（a）和切割（b）。

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陶瓷·Φ0.5mm孔·激光打孔激光打孔的应用

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叶片是喷气涡轮发动机的重要部件之一。工作状态下，该部件在高温燃气中高速旋转。为提高叶片的耐高温性能，人们正在积极研制一种新型叶片，该叶片具有特殊的中空结构，并在表面用激光打孔工艺制作了一系列与中空部分贯通的小孔。工作时向叶片中空部分不断灌入冷气，经小孔泄出后在叶片表面形成冷气保护膜。这样叶片虽处于高温燃气之中，其本身温度相对而言并不很高。显然，这种设计极大地改善了叶片的耐高温性能，有益于延长叶片的使用寿命。叶片·Φ0.5mm小孔·激光打孔

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过滤板·82万个Φ0.7mm孔(3mm厚不锈钢板)国家电力公司《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》第11.3.1.1及11.3.1.2条发电机内冷水系统滤网需要将钢丝、铜丝滤网等更换为激光打孔的不锈钢板新型水过滤器滤网，防止滤网破碎进入发电机线圈。采用了高强度激光打出的微孔不锈钢网板，可阻挡杂质及颗粒进入发电机线棒，防止杂质堆积造成线棒阻塞的事故发生。

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治疗冠心病的最后一招心肌激光打孔

心肌激光打孔术的“灵感”源于鳄鱼、蛇等两栖类动物。早在1933年就有科学家发现两栖类动物的心外膜冠脉系统不发达，心肌呈海绵状，内有大量的管状腔隙及窦状隙与心腔相通。两栖类动物的心肌血供并非来自冠脉系统，而是左室腔内的氧饱和血通过心肌内腔隙直接灌注到心肌。1965年医生们试着采用针头穿刺心肌产生心肌内孔道以达到心肌血运重建的目的。80年代以后，应用激光进行心肌血运重建获得成功。激光心肌血管重建手术分为两类：一是心外膜法，即开胸式，是从心外膜向心腔内打孔，直至将心肌打穿形成隧道。另一种是心内膜法，它是将激光通过光导纤维从股动脉进入左心室，从左心室心内膜向外打孔形成隧道，但不需要打穿心肌。它可以做到创伤很小，在心内科即可操作。

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激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。

目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。

A、金刚石拉丝模的激光打孔激光加工金刚石模具，不仅能节省许多昂贵的钻石粉，而且与常规的机械超声加工法相比，提高了加工效率。用机械钻孔机打通一个20点的金刚石需要24小时，而用激光仅需10分。

单脉冲激光打孔的孔深小于1mm，对应的孔径为0.005~0.4mm；

多脉冲激光打孔的孔深可达3mm，最大孔径可达1mm。

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B、脉冲YAG激光打精密孔

例如用脉冲YAG激光能在厚度为1mm的珍珠宝石上打出16个直径为0.2mm的高精度系列孔，加工精度为±0.03mm，孔间隔为0.01mm，加工速率为每分钟打一个孔。

用脉冲YAG激光对0.005mm厚的钛和钼薄箔进行打孔，孔径可达0.02mm；用脉冲YAG激光对0.07mm厚的氧化铝陶瓷材料打孔，孔径为0.15mm，打孔精度为±

0.2mm。C、脉冲CO2激光打孔

像钢铁之类的金属材料对YAG波长激光吸收率较高，故宜采用YAG激光打孔。但是，陶瓷、玻璃和塑料之类的非金属材料对CO2激光具有较高的吸收率。因此对这类非金属材料适合采用脉冲CO2激光打孔。

此外普通香烟过滤嘴上的小孔、喷雾器阀门上的小孔，也在采用激光加工。喷雾器罐和瓶子颈部都有一个用来控制压缩物质（比如除臭剂、油料或者其他液体）的流量，阀门使用的性能就由喷雾器上这只小孔来决定了。这只小孔的直径为10微米到40微米，用其他机械加工方法不那么好做，用激光来加工，能保证质量，每小时还可以打4万个小孔呢！

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激光打孔应用展望（1）激光打孔将朝着高速度、高效率方向发展。例：某些航空零件要求有上百万个精密孔，使用普通的单脉冲打孔和低重复频率的多脉冲打孔，其打孔速度远远不能满足要求。解决的方法：1、让工件在光束下自旋转，并使激光脉冲的频率与工件旋转同步。激光器发射第一个脉冲到工件上形成一个孔，利用第一个脉冲与下一个脉冲到来之前的间隙，使工件旋转到下一个孔位，再发射第二个脉冲。由此延续下去，当第一个孔回到光束下方原来的位置时，再发射脉冲到第一个孔上，此时第一个孔体的等离子体已排出干净，使打孔过程顺利进行。这种打孔速度可达到65~100孔/s，且孔的质量高。特殊限制：工件必须容许旋转加工。2、在YAG激光器中采用两组振荡放大器，通过改进电源，可以使激光器输出50kW峰值功率，此时可以在5mm厚的不锈钢板上每秒钟加工直径为0.8mm的孔500个，而且孔的精度高、质量好、速度快。

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（2）激光打孔的深度不断增加长期以来激光打孔深度一直在几十个毫米范围内，使得激光打孔的优势在某些领域不能充分发挥。主要原因是脉冲激光在窄脉宽状态下的脉冲功率太低。目前国内可进行厚15~22mm的深孔激光加工，国外某公司用大功率激光打孔，打孔速度为4个/s，其打孔深度为19.05mm。用Nd:YAG激光在9.4mm厚的不锈钢上仅用4s即可打出一个直径1.27mm的孔。用大功率激光器在厚75mm金属上进行激光打孔，充分显示激光在打深孔方面的新的优势和能力。随着激光器的发展和对打孔工艺的深入研究，打孔深度逐渐增加，这将满足模具制造业和高压力喷嘴生产中对深孔的需求。

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激光打孔应用展望

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激光打孔应用展望（3）用激光加工微米级小孔一般激光打孔在对激光器不加调制的情况下，打孔的孔径在0.2~0.4mm范围内。大于0.4mm的孔可以通过工件与激光束的相对运动实现（即轮廓迂回法）。对于孔径小于0.2mm至几微米的孔，必须通过特殊的手段对激光束进行限模或调制实现。通过腔内增设光阑和缩短透镜焦距等方法获得孔径为25~39um和6~23um的小孔。国外有利用窄聚焦光束进行30um高精度孔的激光加工。用连续波亚离子激光器在厚度为200*10-10m的锗膜上打出直径为1um的小孔。使用精密YAG激光加工装置加工陶瓷薄板和金属箔，在厚度为1mm的氮化硅板上打出直径为0.2mm的小孔。在0.05mm后的陶瓷薄膜上加工直径为0.02mm的小孔。（4）激光打孔材料多样化激光可在很多材料上打孔，如金属材料的碳钢、非金属材料中的红宝石、人造金刚石、天然金刚石、玻璃、橡胶、陶瓷等。（5）激光打孔的质量不断提高

由于激光打孔属于热烧灼加工，孔的尺寸精度收到影响，孔壁粗糙度一般在Ra=12.5um左右。打孔过程中喷射的熔融状金属氧化物使孔板的上、下表面发黑、粗糙，由于光束的发散角等原因造成了孔的锥度。这些质量问题无疑影响激光打孔的应用。

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激光打孔应用展望

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2、激光切割1）激光切割工作原理

激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超过激光阈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气化，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。

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2）激光切割的特点G、噪声低，无公害A、切割速度快，热影响区小。热影响层深度0.05--0.1mm，热畸变形小。F、可在大气中或任意气体环境中进行切

割，不需真空装置。E、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。C、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。B、切割质量好。切口边缘平滑，无塌边，无切割残渣。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。割缝窄。一般为0.1--1mm。

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3）激光切割分类※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，适用木材、塑料等。※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。※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。

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聚焦能力与它光束模式有关。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。4)影响激光切割质量的因素激光切割质量包括：影响激光切割质量的因素：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。激光功率、激光振荡模式、焦点位置、辅助气体和切割速度等。A、激光功率：激光功率增加、其切割速度和工件的切割厚度增加，但切割效率降低。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。B、光束模式

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焦点位置对熔深和熔池形状的影响很大。这种影响对切割虽不像对焊接那样大，但无疑影响切割质量。图所示为采用激光切割5mm厚高合金钢板时的焦点价置与切割缝宽度的关系曲线。由图可知；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。C、焦点位置

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※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。D、辅助气体和喷嘴辅助气体的作用是：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

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E、切割速度: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。激光切割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

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5)金属材料激光切割A、激光器：快轴流CO2激光器B、切割参数：

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C、影响激光切割质量的因素：激光切缝表面的切缝宽度和热影响区均随激光切速的增加而减小，并在切缝下表面切缝的宽度和热影响区最小。

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切缝宽度和热影响区与激光切速关系。

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焦点位置对切口粗糙度的影响

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喷嘴的形状和大小及吹氧压力对激光切割质量有较大影响

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吹气压力与切割速度关系

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几种切割方式的比较

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6）非金属激光切割A、激光器：CWCO2激光器，不超过500w的中等激光功率。B、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）

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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值高于100kJ·cm-3。

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到目前为止，激光可用来切割木材、纸张、布匹、塑料、橡胶、复合材料、玻璃及陶瓷等非金屑材料。例如用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。激光用于切割航空行业中的复合材料也越来越普遍。激光裁剪布料，不仅可省料15％，且裁纹质量好，裁剪后的布料无毛边。化纤衣料的激光裁剪不需要收边，可以省去拷边工序。用计算机控制的激光切割机，可将所有衣服的祥式与尺寸存储到磁盘上，按一下控制健就可以得到所需的布料。例如休斯公司开发的激光裁剪机，裁剪速度达61m/min，每小时激光可裁剪40~50套服装。目前美、英服装公司均采用激光裁剪机裁剪布料。非金属材料的激光切割应用前景光束参数对切割质量的影响1、模式和功率激光器的主要性能特征在于影响照射到工件表面功率密度的光束特征。（1）模式激光束断面能量分布成为模式，用TEM表示，意指横截面上的电磁能分布。它直接与光束的聚焦能力有关，相当于机械切割刀具的尖锐度。最低阶模或基模以TEM00表示，其断面光束能量分布近似于高斯曲线分布。高阶模或多模光束断面特征是能量从中心向外扩散，导致较大光斑尺寸和能量集中程序较低，与相同功率输入的低阶模激光束比，犹如一把钝的切割工具，这种模式的激光器较适于厚板焊接与热处理。

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①高斯模（TEM00）--断面光束能量达到高斯分布，它可以密集地聚焦获得集中的最高能量，这种模式典型的出现在千瓦以下的激光器。②低阶模（TEM01）--接近高斯模并具有它的多数优点，典型地出现在1~2kW中功率激光器。③多模—高阶模的混合，均匀地分布能量，适于厚板焊接与热处理，出现在大于等于3kW的高功率激光器。（2）输出功率

极光切割时一个热过程，激光束产生的热量与激光器的容积有关，提高功率可增加切割速度或能切割较厚断面的材料。（3）稳定性切割质量要靠应用始终一致的光束能量和质量来保证，所以激光输出的稳定性是切割的一大关键因素，包括保持不波动的能量、一致的光束质量和光路准直稳定性。

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光束参数对切割质量的影响2、激光束的偏振

在切割金属和陶瓷时明显表现出切边质量不一致，如切缝、切边粗糙度、垂直度的变化，就是偏振效应引起的，它能不可预测地影响到瞬间耦合到材料的光束质量的吸收程度。切割方向与光束偏振相平行时，切割缝窄、切边平直。当切割方向从偏振面移开，就会导致能量吸收的递减。切割速度越慢，切口越宽，切边粗糙度并与材料表面不垂直。当切割方向与偏振面垂直时，切边不再倾斜，切割速度越慢，切口越宽，切割质量越粗糙。

现代激光切割系统已配备一种光学镜片，以获得等量耦合消除不均一性，即圆偏振镜。

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光束参数对切割质量的影响3、激光束的聚焦

利用激光束的热量进行切割，必须把激光器射出的原始光束经过透镜聚焦，才能形成高能量密度。通常推荐硒化锌作为透镜材料，两面镀防反射膜。焦点处功率密度最高。透镜焦距大，聚焦光斑大，功率密度相对较低，但焦深大，操作容许度也大，反之，透镜焦距短，光斑小，功率密度高，但焦深也小。4、脉冲波光束

用连续波激光束切割工件角部，由于切割机床运作需要，机床先减速后增速通过角区，使角周围堆积起来的热量无法及时散去，引起角部切割区材料过烧，影响切割质量。当切割角区时可使用同步脉冲波，及时调节功率以与角区切割速度变化适应。当角区切割完成再度在直线方向运行时，激光束将回复到连续波切割。使用同步脉冲波激光束，明显改善了工件角区切割质量。

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光束参数对切割质量的影响

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过量光照引起病理效应一览表3、激光加工安全问题

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1）激光对眼睛的危害对红外和远红外眼是不透明的，这种辐射所造成的损伤部位又回到了角膜关于光谱的这一部分损伤数据来于二氧化碳激光器，其损伤在本质上是热过程。对于强光辐射，人体最易受伤的是眼。至于眼何处受伤则决定于光波波长。紫外线：能为角膜等物质中的各种核酸和蛋白质所吸收，受到这种射线的照射，将引起角膜炎。引起最厉害角膜炎的光波波长是0.208微米（角膜的敏感峰）。可见光和近红外：最易受伤的部位是视网膜。原因是角膜、晶状体等既对它们是透明的，又对它们有焦聚作用。这种光绝大部分能达到眼底，并为色素上皮层和脉络膜所吸收。红外线和远红外线：损伤部位是角膜。

29四月2024

2）激光对皮肤的危害激光辐射对眼的损伤，特别是对视网膜的损伤，也有可能是不可逆的，一般皮肤受伤比眼睛易于恢复。显然，皮肤损伤居于次要地位。然而，在激光加工中使用脉冲激光能量密度接近几焦尔每平方厘米时，或者连续激光功率达到每平方厘米0.5瓦时，皮肤就可能遭受严重损伤。皮肤可分为两层，最外面的是表皮，内面的是真皮。表皮没有血管，但含有一些神经。位于表皮下层的黑色素确定了皮肤的颜色。黑色素粒越多，皮肤的颜色就越黑．表皮中含有汗脓、血管、淋巴管、神经、发脂腺和脂肪细胞等。皮肤含有水，至少在遇到黑色素粒之前，对大多数类型的激光是透明的．黑色素粒是皮肤中主要的吸光体．黑色素粒对可见光、近紫外线和红外线的光谱反射比有明显的差异，人体皮肤颜色对反射比也有很大的影响．极白肤色的人反射比较高，吸收辐射能量较少，反之，黑色皮肤吸收能量较多，更易受伤。

29四月2024

3）有害气体危害由激光切割、激光打孔及激光焊接产生的反应物及汽化的加工材料，可能使大气污染，其浓度可能高到危及人员的健康。其中可能包括产生的氧化铁、氧化铜和氧化锌等金属氧化物烟雾，铅、汞、镍和钽等金属烟雾和尘埃；激光器泄漏的激光工作物质如溴气、氯气、氰化氢、碘、硒化合物、一氧化碳和二氧化碳等，闪光灯产生的臭氧。4）电气危害使用激光设备时所发生的电击死亡事故，很可能比激光束照射所造成的死亡事故更多。根据报道，在美国已经发生数起因为进行与激光有关的工作而触电死亡的事故。大多数激光设备使用高电压(＞1kv)，具有电击危险。脉冲激光设备的电容器贮有能量时特别危险，我们了解到，国内、外都曾经发生过高压电容器造成电击危害。当电容器放电通过人体并超过50J时，就有可能损伤心脏。

29四月2024

激光打标技术现状及发展前景概述：激光打标是在激光焊接、激光热处理、激光切割、激光打孔等应用技术之后发展起来的一门新型加工技术，是一种非接触、无污染、无磨损的新标记工艺。近年来，随着激光器的可靠性和实用性的提高，加上计算机技术的迅速发展和光学器件的改进，促进了激光打标技术的发展。激光打标的优点：

(1)标记速度快，字迹清晰、永久。

(2)非接触式加工，污染小，无磨损。

(3)操作方便，防伪功能强。

(4)可以做到高速自动化运行，生产成本低。激光打标原理：是利用高能量密度的激光束对目标作用,使目标表面发生物理或化学的变化,从而获得可见图案的标记方式。高能量的激光束聚焦在材料表面上，使材料迅速汽化，形成凹坑。随着激光束在材料表面有规律地移动同时控制激光的开断，激光束也就在材料表面加工成了一个指定的图案。

29四月2024

国内激光打标的发展历程激光打标设备的核心是激光打标控制系统。从1995年到2003年短短的8年时间，控制系统在激光打标领域就经历了大幅面时代、转镜时代和振镜时代，控制方式也完成了从软件直接控制到上下位机控制到实时处理、分时复用的一系列演变，如今，半导体激光器、光纤激光器、乃至紫外激光的出现和发展又对光学过程控制提出了新的挑战。国内激光打标的市场现状生产销售的企业有30多家，主要分布在武汉、北京、深圳、南京和广州等地激光标刻系统的销售额：YAG激光器

2001年为1.9亿元，占当年激光加工销售总额的32.7%

2002年为2.48亿元，占当年激光加工销售总额的33.5%

2003年为3.33亿元，占当年激光加工销售总额的34.0%。

29四月2024

目前：激光打标使用的Nd：YAG激光器多是以氪灯或氙灯来泵浦的，泵浦效率很低，激光器的总效率只能达到2％～5％，这种激光打标机都配有庞大的冷却系统，其体积可占整个系统体积的40％。将来：半导体激光泵浦的固体激光器，总体转换效率可达20％以上，大大缩小激光器冷却系统的体积，这为激光打标机向轻型化、小型化方向发展创造了条件；

大功率光纤激光器，其散热性能好、转换效率高（是半导体激光泵浦的固体激光器的2倍以上）、激光阈值低、可调谐范围宽、光束质量好、免维护和价格低廉、制作灵活等显著优势，更加促进了激光打标向轻型化、小型化方向发展。国际上一些发达国家已将该技术作为工业加工的工艺标准，我国也非常重视这一技术，国家科委已将该技术列为“八五火炬计划”进行研制和推广。激光打标具有巨大的发展潜力和广阔的市场前景。激光打标的发展趋势

29四月2024

焊接技术发明至今已有百余年历史，现在全世界所有大工业的产业，像航天航空、造船、通讯、家用电器、大型电站、冶金、微电子、武器装备及核能工业中产品的生产制造都离不开焊接技术，焊接是其最主要的工艺。焊接热源：已非常丰富，如火焰、电弧、电阻、超声、摩擦、等离子、电子束、激光束、微波等等。焊接的基本原理：就是采用施加外部能量的办法，促使分离材料的原子接近，形成原子键的结合。在这个同时，又能去除掉一切阻碍原子键结合的一切表面膜和吸附层，以形成一个优质的焊接接头。焊接是一个安全要求非常高的一种先进工艺。如果焊接质量要出现问题，所造成的危害是毁灭性的。----四川重庆的綦虹桥，突然断裂，是焊接质量问题----韩国的汉江大桥突然断裂，也是焊接质量问题。现代焊接技术简介

29四月2024

发达国家，它每年钢产量的50％到60％需要进行焊接加工。中国2001年，钢产量达到1.3亿吨，在这个1.3亿吨生产出来的钢材中，据初步统计，四千万吨需要焊接，因此焊接已经成为一门独立的学科，一项高科技，同时又是一个非常重要的产业。激光焊是最近这些年发展起来的一种高能量的焊接方法，它是用激光来加热，所以它可以穿透透明介质，能够焊到透明介质容器的里边去，这是其他焊接方法难以做到的，这种方法也被利用到医学里边，比方视网膜脱落，视网膜是在眼球的后面，视网膜脱落以后眼睛就会失明，现在就用激光的办法，透过眼球焊到眼球后面，把这个视网膜和眼球焊起来，这个已经是很成功的手术了。第二个它的优点是不需要真空保护，因此，现在得到了非常广泛的应用。

29四月2024

3、激光焊接技术概述激光焊接是以高功率聚焦激光束为热源，熔化材料形成焊接接头的高精度高效率焊接方法。激光焊接的应用始于1964年，但早期仅限于用小功率脉冲固体激光器进行薄小零件的焊接。70年代以来，随着千瓦级大功率CO2激光器的出现，激光深熔焊得到了迅速的发展。激光焊接的厚度已从零点几毫米提高到50mm，已应用于汽车、钢铁、航空、原子能、电气电子等重要工l部门。目前在世界各国激光加工的应用领域中，激光焊接的应用仅次于激光切割，约占20.9％。

29四月2024

⑤激光焊接可在大气中进行，无环境污染。2）激光焊接与常规焊接方法相比具有如下特点：①激光功率密度高，可以对高熔点、难熔金屑或两种不同金屑材料进行焊接(对钨丝进行有效焊接)。②聚焦光斑小，加热速度快，作用时间短，热影响区小，热变形可忽略。③脉冲激光焊接属于非接触焊接，无机械应力和机械形变。④激光焊接装置容易与计算机联机，能精确定位，实现自动焊接，而且激光可通过玻璃在真空中焊接。1）激光焊接基本模式：热导焊和深熔焊。热导焊：激光功率密度较低（105～106W／cm2），依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。深熔焊：激光功率密度高（106～107W／cm2），工件迅速熔化乃至气化形成小孔。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深熔焊。

29四月2024

4、脉冲激光焊接（热传导焊接）1）常用脉冲激光器：Nd：YAG激光器调QYAG激光器脉冲CO2激光器2）焊接接头形式：对接焊、搭接焊、交叉焊和平行焊3）影响焊接质量的工艺参数：功率密度、脉冲宽度、脉冲波型和离焦量

29四月2024

一、激光功率密度对焊接质量影响激光功率密度是激光焊接的一个关键参数，激光功率密度不同时材料达到熔点和沸点的时间不同。两种功率密度下金属表层及底层的温度与时间的关系。

29四月2024

材料达到熔化所需的激光功率密度：材料达到沸点所需的激光功率密度：临界激光功率密度：当材料表面出现强烈气化时，材料加热过程中将出现两种波向材料内部传播，即热波和气化波。当激光功率密度较低时，热波的速度高于气化速度，当达到某—临界功率密度时，这两种波的速度相等，可得气化时的临界激光功率密度：对多数材料：

29四月2024

金属热导率K热扩散率kTmTv脉宽tp

W/cm2·℃cm2/s℃℃sCu3.891.121083230010-3钢0.510.151535270010-3Ni0.670.241453273010-3Ti0.150.061800320010-3W1.690.653380590010-3Mo1.410.552600480010-3Cr0.700.221830220010-3Al2.090.87660206210-3金属热学参量

29四月2024

说明：激光功率密度需根据材料本身的特性及焊接技术要求来选取。在薄板(板厚为0.01-0.10mm)焊接中，激光功率密度范围为Fm＜F＜Fc在厚板(板厚大于〉0.50mm)焊接中，激光功率密度范围为Fm＜F＜Fv金属热扩散率脉宽临界功率密度

（J/cm3）(cm2/s)（ms）(W/cm2)Cu42.88×1031.1210-31.4×106钢54.76×1030.1510-36.2×106Ni55.3×1030.2410-37.5×106Ti44.27×1030.0610-33.4×106W95.43×1030.6510-32.4×106Mo69.05×1030.5510-31.6×106Cr54.17×1030.2210-38.4×106Al28.09×1030.8710-38.6×106

29四月2024

二、脉冲波形对焊接质量影响分析：激光脉冲开始作用时反射率高；当材料表面温度升至熔点时，反射率迅速下降；表面处于熔化状态时，反射率稳定于某一值；当表面温度继续上升到沸点时，反射率又一次下降。曲线1为铜的反射率变化曲线2为钢的反射率变化激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。

29四月2024

利用带有前置尖峰的激光波形，在开始出现的尖峰，迅速改变金属表面状况，使其温度上升至熔点，从而在脉冲时刻到来时，表面反射率较低，使光脉冲的能量利用率大大提高。解决方法：适用范围：大多数金属的脉冲焊接注意：这种脉冲波型在高重复率缝焊时不宜采用。因为重复率很高时，重叠区可能仍处于熔融状态。若使用这种波形，初期尖峰可使表面出现高速气化，伴随着剧烈的体积膨胀，金属蒸气以超声速向外扩张，给工件很大的反冲力，使金屑产生飞溅，在熔斑中形成不规则的孔洞。这在气密性要求高的缝焊中尤其要避免，故缝焊中宜采用矩形波或缓衰减波形。

29四月2024

三、脉冲宽度对焊接质量影响激光脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它是决定材料是否熔化的重要参数。为了保证激光焊接过程中材料表面不出现强烈气化，一般假定在脉冲终止时材料表面温度达到沸点。1）最大熔深与脉宽关系设脉冲终止时材料表面温度达到沸点，即脉冲宽度tp等于气化时间。此时的激光功率密度：最大熔深：由气化时间

29四月2024

最大熔深：对于铝材料：熔点660℃，沸点2450℃，k=1.03cm2/s。采用脉宽tp=1ms的激光，熔深不到0.1mm。结论：①最大的熔深正比于脉宽的平方根，脉宽越长，熔深越深。②熔点、沸点相差较大的金属，如钼、铂、钨等，则熔深较深。③热扩散率越大的金属，如金、铜、银等，熔深越深。

29四月2024

四、离焦量对焊接质量影响激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦量相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50~200us材料开始熔化，形成液相金属并出现汽化，形成蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。

29四月2024