激光切割基础知识分析解析

BasicStudyReport(激光切割基础知识学习)DATE:2011.4-2012.3Preparedby:杨富斗1第一页，共28页。目录(Chapter)第1章：背景(Background)与学习目标(Target)(请列出学习此题目的原因）

1.1泡沫铜的加工现状1.2学习目标第2章：原理(Theory)（请列出学习到的实际理论知识）

2.1激光切割的原理2.2粒子数反转的概念2.3光与物质相互作用的3个过程2.4普通光源属于自发辐射2.5激光的产生是受激辐射2.6激光切割原理图2.7激光光谱图2.8固体激光切割机器人的结构2.9气体激光器原理图2第二页，共28页。目录(Chapter)2.10气体激光切割机的结构2.11激光切割机的组成部分第3章：如何应用到实际工作中(Howtoapplyinmywork)(请列出第2章所学到的理论知识中有哪些可以运用到你的实际工作中，打算怎么去运用）3.1激光在我们工作中的应用第4章：实际行动(Actiontaken)（请列出你实际在工作中采取了什么行动）4.1激光切割机供应商汇集4.2泡沫铜激光切割第5章：结果与讨论(Result&Discussion)（请列出你采取行动后的结果是什么）5.1结果对比5.2切割机选用

5.3切割机供应商推荐第6章:下一步行动计划(Recommendationforfurtherstudyandaction)3第三页，共28页。（第一章：背景与学习目标）背景1.1:泡沫铜的加工现状

需用泡沫铜，而泡沫铜软而薄，易变性，圆环型的泡沫铜目前没有成熟的加工办法，使用目前常规的机加工方法如用钻头切割与模具冲裁等，泡沫铜切边会被压扁，用线割则会被切削液氧化，所以想寻找一种没有加工力作用于产品上的加工方法，故考虑用激光切割机来加工获得。1.2:学习目标1、寻找圆环型的泡沫铜的加工办法。2、学习了解有关激光切割的基础知识，以备后续相关开发需要。

1、钻头切割（毛边、弯曲）

2、模具冲裁（压扁、弯曲）

3、线切割（氧化、变黑）4第四页，共28页。（第二章：原理）2.1激光切割的原理2.1:激光切割的原理激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。激光产生的原理见下图。

5第五页，共28页。（第二章：原理）2.1激光切割的原理2.1.1一般激光器的三个基本部分是：工作物质(如图红宝石)、激励能源（如图闪光灯）、光学谐振腔（如图前后反射镜）。工作物质是产生激光的介质；激励能源使介质出现粒子数反转、光学谐振腔是使激光在介质中来回振荡诱发新的受激辐射来放大激光。按工作介质的不同来分类，可以是固体、气体、液体、半导体激光器。光学谐振腔是产生激光的关键部分2.1.2光学谐振腔是产生激光的关键部分其后端全反镜的反射率大于99%，而部分反射镜的反射率约为80%，20%透射出来用于切割。6第六页，共28页。（第二章：原理）2.1激光切割的原理2.1.3激光产生的具体过程就是：光泵使工作物质实现粒子数翻转-->工作物质受激发射辐射<-->谐振腔收集辐射-->谐振腔发射辐射-->光泵再次实现粒子数翻转7第七页，共28页。（第二章：原理）2.2粒子数反转2.2:粒子数反转的概念粒子数反转是激光产生的前提。在通常情况下，处于低能级E1的原子数大于处于高能级E2的原子数，这种情况得不到激光。为了得到激光，就必须使高能级E2上的原子数目大于低能级E1上的原子数目，因为E2上的原子多，发生受激辐射，使光增强。为了达到这个目的，必须设法把处于基态的原子大量激发到亚稳态E2，处于高能级E2的原子数就可以大大超过处于低能级E1的原子数。这样就在能级E2和E1之间实现了粒子数的反转。

8第八页，共28页。（第二章：原理）2.3光与物质的相互作用2.3:光与物质相互作用的3个过程

9第九页，共28页。（第二章：原理）2.4普通光源2.4:普通光源属于自发辐射特点是：多波长、多方向、不相干。

10第十页，共28页。（第二章：原理）2.5激光的产生2.5:激光的产生是受激辐射激光的特点：单色性好、方向性好、相干性好、亮度高。

11第十一页，共28页。（第二章：原理）2.6激光切割原理图2.6:激光切割原理图激光切割是由激光器所发出的水平激光束经45°全反射镜变为垂直向下的激光束，后经透镜聚焦，在焦点处聚成一极小的光斑，在光斑处会焦的激光功率密度高达10^6~10^9W/cm^2。处于其焦点处的工件受到高功率密度的激光光斑照射，会产生10000°C以上的局部高温，使工件瞬间融化或汽化，再配合辅助切割气体将融化的金属吹走，从而将工件切穿成一个很小的孔，随着数控机床的移动，无数个小孔连接起来就成了要切的外形。由于激光切割的频率非常高，所以每个小孔连接处非常光滑，切割出来的产品光洁度很高。

12第十二页，共28页。（第二章：原理）2.7激光光谱图2.7:激光光谱图

如图：1、固体激光是波长为1064nm的光子，即1.064um。2、CO2激光是波长为10.6um的光子，是固体激光的10倍。

3、（而微波炉用的标准频率是915MHz或2450MHz，对应的波长约为0.122m和0.327m，属于右端的电磁波范围。）13第十三页，共28页。（第二章：原理）2.8固体激光切割机器人2.8:固体激光切割机器人的结构

14第十四页，共28页。（第二章：原理）2.9气体激光器原理图2.9:气体激光器原理图

15第十五页，共28页。（第二章：原理）2.10气体激光切割机2.10:气体激光切割机的结构

16第十六页，共28页。（第二章：原理）2.11激光切割机总结2.11:激光切割机的组成部分1.激光电源，供给激光振荡用的高压电源。

2.激光振荡器，产生激光的主要设备

3.折射反射镜，用于将激光导向所需要的方向。为使光束通路不发生故障，所有反射镜都要用保护罩加以保护。

4.割炬，主要包括枪体、聚焦透镜和辅助气体喷嘴等零件。

5.切割工作平台，用于安放被切割工件，并能按控制程序正确精确地进行移动，通常由伺机电机驱动。

6.割炬驱动装置，用于按照程序驱动割炬沿X轴和Z轴方向运动，由伺服电动机和丝杆等传动件组成。

7.数控装置，对切割平台和割炬的运动进行控制，同时也控制激光器的输出功率。

8.操作盘，用于控制整个切割装置的工作过程。

9.气瓶，包括激光工作介质气瓶和辅助气瓶，用于补充激光振荡的工作气体和供给切割用辅助气体10.冷却水循环装置，用于冷却激光振荡器。激光器是利用电能转换成光能的装置，如CO2气体激光器的转换效率一般为

11.空气干燥器，用于向激光振荡器和光束通路供给洁净的干燥空气，以保持通路和反射镜的正常工作。17第十七页，共28页。（第三章：如何应用到实际工作中）3.1激光应用3.1:激光应用技术3.1.1信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算，光隔离器3.1.2检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维形状3.1.3激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型3.1.4医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼科手术，激光血照仪，视光学测量3.1.5科学研究方面的应用：激光核聚变，重力场测量，激光光谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过程等等18第十八页，共28页。（第三章：如何应用到实际工作中）3.2YAG激光切割3.2:YAG激光切割YAG激光切割工作中应用的好处：1、精度高：适用于精密配件的切割和各种工艺字、画的精细切割。2、速度快：是线切割的100倍以上。3、热影响区小，不易变形。切缝平整、美观，无需后序处理。4、性价比极高：价格只有同类性能CO2激光切割机的1/3，与同等功效数控冲床的2/5。5、使用成本很低：仅为同类CO2激光激光切割机的1/8-1/10，每小时成本仅为18元左右，CO2激光切割机每小时成本为150-180元左右。6、后续维护费用很低：仅为同类CO2激光切割机的1/10～1/15，与同等功效数控冲床的1/3～1/4。7、性能稳定，保证持续生产。固体YAG激光器是激光领域最稳定最成熟产品之一。8、和数控冲床比较，YAG激光切割机具有以下优点：

（1）能完成各种复杂结构的加工，只要能在电脑上画出任何图像，该机都能完成加工。

（2）不需要开模，只在电脑上将图作出，产品马上就可以出来，即能快速开发新产品，又能节约成本。

（3）YAG切割机有自动跟踪系统，所以即能完成平面切割，也能完成各种高低不平的曲面切割。

（4）复杂的工艺要求数控冲床难以完成，激光切割都能做到。

（5）表面非常光滑，产品档次很高，数控冲床难以做到。

（6）成型的箱体（厚0.5米以内）需增加孔槽等处理，数控冲床无法处理，YAG数控金属激光切割机能解决。

19第十九页，共28页。（第三章：如何应用到实际工作中）3.3各种激光切割机对比3.3:

各种激光切割机对比20第二十页，共28页。（第三章：如何应用到实际工作中）3.4YAG激光切割3.4:

激光切割希望应用于泡沫铜切割激光切割能切割各种各样的金属与非金属，加工精度高，无切割力作用于工件表面，满足我们石墨碟泡沫铜的切割要求，故希望学习了解该技术后应用其来进行泡沫铜的切割加工。21第二十一页，共28页。（第四章：实际行动）4.2:

泡沫铜切割由于600#泡沫铜石墨碟的开发需要，我们带样品到光大激光有限公司试验了泡沫铜的切割，切割效果很好，达到我们石墨碟的使用要求。采用YAG激光切割机试验，两个产品排列的最小间隙可达0.5mm，切割速度为15S/PCS(包括内圆和外圆)，精度可达±0.05mm，产品表面与切割面平整无变形。

2、激光切割的泡沫铜圆环1、泡沫铜原料板22第二十二页，共28页。（第四章：实际行动）4.3:

供应商汇集

23第二十三页，共28页。（第五章：结果与讨论）5.1结果对比5.1:

结果对比

1、钻头切割（毛边、弯曲）

2、模具冲裁（压扁、弯曲）

3、线切割（氧化、变黑）

4、激光切割（平整、无变形无变色）24第二十四页，共28页。（第五章：结果与讨论）5.2切割机选用5.2:

泡沫铜切割选用何种切割机1，切割我们的金属泡沫铜最合适的是“YAG激光切割机”，价格最便宜，约10多万人民币；2，“光纤激光切割机”亦可切割，但设备要上百万；3，CO2气体切割机一般是切割非金属的，只有上千瓦的才能切割金属，且设备价格约200万；4，打标机与雕刻机也能打金属，一般功率较小，用于切割金属用亦可，但一般作用深度只有0.05mm，功率大点最多也只能割0.3mm，设备价格也要约二三十万；5，400W的一般能切割5mm左右的钢板，但铜为高反金属，对激光吸收能力较差，一般能切割10mm厚钢板的激光器只能切割3mm厚的铜板；6，“YAG激光切割机”使用成本是最低的，约为“CO2激光切割机”的1/8~1/10，约为18元/时（CO2为150~180）；7，“YAG激光切割机