激光切割的原理及应用.docx

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激光切割的原理及应用

激光切割的原理及应用

【摘要】激光加工技术是一种先进制造技术，而激光切割是激光加工应用领域的一部分，激光切割是当前世界上先进的切割工艺。

由于它具备精密制造、柔性切割、异型加工、一次成形、速度快、效率高等优点，所以在工业生产中解决了许多常规方法无法解决的难题。

激光能切割大多数金属材料和非金属材料

【关键词】激光切割的原理激光切割的分类及特点激光切割技术的应用

1.概述

激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术。

它占整个激光加工业的70%以上。

激光切割与其他切割方法相比，最大区别是它具有高速、高精度及高适应性的特点。

同时还具有割缝细、热影响区小、切割面质量好、切割时无噪声、切割过程容易实现自动化控制等优点。

激光切割板材时，不需要模具，可以替代一些需要采用复杂大型模具的冲切加工方法，能大大缩短生产周期和降低成本。

因此，目前激光切割已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门中。

2.激光切割的原理

在激光束能量作用下（氧助切割机制下，还要加上喷氧气与到达燃点的金属发生放热反应放出的热量），材料表面被迅速（ms范围）加热到几千乃至上万度（℃）而熔化或汽化，随着汽化物逸出和熔融物体被辅助高压气体（氧气或氮气等惰性气体）吹走，切缝便产生了（原理图见图2）[1]。

脉冲激光适用于金属材料,连续激光适用于非金属材料,后者是激光切割技术的重要应用领域。

与计算机控制的自动设备结合,激光束具有无限的仿形切割能力,切割轨迹修改方便通过预先在计算机内设计,进行众多复杂零件整张板排料,可实现多零件同时切割,节省材料[2]。

激光切割主要是CO2激光切割（图3）,激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使CO2激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定形状的切缝[3]。

图4激光切割设备示意图

激光切割设备（见图4）除具有一般机床所需有的支承构件、运动部件以及相应的运动控制装置外，主要还应备有激光加工系统，它是由激光器、聚焦系统和电气系统三部分组成的。

其它有多腔吸尘系统、外光束传输件、冷却器、和计算机编程硬件和软件等辅助系统组成[4]。

3.激光切割的分类

激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类[5]。

1）激光汽化切割

利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸汽。

这些蒸汽的喷出速度很大，在蒸汽喷出的同时，在材料上形成切口。

材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。

激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料（如纸、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。

2）激光熔化切割

激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体（Ar、He、N等），依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。

激光熔化切割不需要使金属完全汽化，所需能量只有汽化切割的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属的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金等。

3）激光氧气切割（氧化熔化切割）

激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。

它是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。

喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。

由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。

激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。

4）激光划片与控制断裂

激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽裂开。

激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。

控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，引起该区域大的热梯度,在脆性材料中产生局部热应力，导致严重的机械变形,使材料沿小槽断开而形成裂缝。

4.激光切割的特点

激光切割与其他热切割方法相比较，总的特点是切割速度快、质量高。

具体概括为如下几个方面。

1）切割质量好

由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能够获得较好的切割质量。

①激光切割切口细窄，切缝两边平行并且与表面垂直，切割零件的尺寸精度可达±0.05mm。

②切割表面光洁美观，表面粗糙度只有几十微米，甚至激光切割可以作为最后一道工序，无需机械加工，零部件可直接使用。

③材料经过激光切割后，热影响区宽度很小，切缝附近材料的性能也几乎不受影响，并且工件变形小，切割精度高，切缝的几何形状好，切缝横截面形状呈现较为规则的长方形。

2）切割效率高

由于激光的传输特性，激光切割机上一般配有多台数控工作台，整个切割过程可以全部实现数控。

操作时，只需改变数控程序，就可适用不同形状零件的切割，既可进行二维切割，又可实现三维切割。

3）切割速度快

用功率为1200W的激光切割2mm厚的低碳钢板，切割速度可达600cm/min；切割5mm厚的聚丙烯树脂板，切割速度可达1200cm/min。

材料在激光切割时不需要装夹固定，既可节省工装夹具，又节省了上、下料的辅助时间。

4）非接触式切割

激光切割时割炬与工件无接触，不存在工具的磨损。

加工不同形状的零件，不需要更换“刀具”，只需改变激光器的输出参数。

激光切割过程噪声低，振动小，无污染。

5）切割材料的种类多

与氧乙炔切割和等离子切割比较，激光切割材料的种类多，包括金属、非金属、金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维等。

但是对于不同的材料，由于自身的热物理性能及对激光的吸收率不同，表现出不同的激光切割适应性。

6）缺点

激光切割由于受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，而且随着工件厚度的增加，切割速度明显下降。

激光切割设备费用高，一次性投资大。

5.激光切割技术的广泛应用[6]

图7激光切割金属

图6激光切割布艺

图5圆形锯片

激光切割的应用领域非常广泛,比如汽车行业、计算机、电气机壳、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片（见图5）、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钦合金等等。

近年来,激光切割的新应用层出不穷,令人耳目一新:

1）服饰、皮革

2002年7月博业激光应用有限公司正式推出第三代“LEC PLUS激光雕刻切割机”,广泛应用于服装服饰（见图6）、皮革等众多领域。

SPIN系列激光裁剪机采用。

CO2激光器,是针对皮革、服装用户大批量生产而量身定制的新型激光裁剪机。

双头激光头在同一版面进行雕刻、切割工作操作,使加工效率增加一倍且保留原系列单头裁剪机的优势,支持田岛刺绣专用格式DSP及PLT、DXE等矢量图形格式,专用布料通道及张紧结构,特制的负压吸布装置配合蜂巢切割平台,进一步提高雕刻精度,广泛应用于服装、布料、绣花、贝占布绣、皮革等行业。

2）微芯片的激光

2004年8月,俄国研究人员开发出一种简单高效地将蓝宝石晶体等切割成厚度不到1微米的薄片的激光装置。

研究人员希望使用该装置替代目前使用的钻石刀来切割微芯片。

圣彼得堡研究人员开发出的激光切割装置采用的是微秒级的超短波低能激光。

切割材料时,激光装置的特殊光学系统将激光聚焦成直径只有几微米的激光束。

利用这种能量聚集在特定空间和时间内的激光,照射诸如蓝宝石等材料,可以直接在材料内部打出一些紧密相邻的细小孔眼。

这样被“钻”空的蓝宝石材料可以很容易“掰开”,获得理想的微芯片。

3）汽车零部件切割

在汽车样车和小批量生产中大量使用三维激光束切割机,对普通铝、不锈钢等薄板、带材的切割加工,应用激光加工,其高速切割速度已达10m/min,不仅大幅度缩短了生产准备周期,并且使车间生产实现了柔性化,加工面积减小了一半。

由于它的加工效率高,比机械加工方式的加工费用减少了50%。

4）液晶屏短路环激光切割

由长春光机所控股的长春光华微电子设备工程中心有限责任公司研制的液晶屏短路环激光切割机是我国自行研制的第一台液晶屏短路环激光切割机,具有设计方案合理、性能先进、图像自动识别对位快速准确、快速运动控制定位精度高、激光切痕光滑干净等特点。

专家认为其综合技术和性能指标达到国际同类产品的先进水平,填补了国内空白。

5）铝泡沫夹层材料激光切割

德国巴伐利亚洲激光技术中心（BLZ）研发出铝泡沫夹层材料（AFS）的激光切割技术,AFS在形成泡沫和非泡沫状态下被激光切割（加工）。

6）塑料激光切割

塑料激光切割实例

机器人辅助激光切割塑料的一个典型例子是大众汽车公司的高尔夫IV型轿车C柱的内衬件。

应用二氧化碳激光器,并直接安装在机器人手臂上,切割这种3D——塑料内衬部件的外轮廓、切出通风孔和安全带的固定孔。

7）LT651管材

2004年6月,BLM集团ADIGE公司全新LT651管材激光切割机受到英国TRIUMPH摩托车公司的青睐。

LT651管材激光切割机的最大好处,它以将生产工艺中的许多工序略掉,例如传统工艺,管材在普通机床上铣削、钻孔、冲孔、液压拉伸以及去毛刺。

在LT651管材激光切割机上,所有这些操作都可在这台机床上进行。

6.结束语

激光切割是激光加工中应用最早、使用最多的加工方法。

以日本为例,目前已拥有CO2激光加工机2万台,约占全球激光加工机总量的1/3,其中80%为激光切割设备。

据统计,日本自1995年以来,年生产Co2激光加工机已超过500台左右,其中YAG激光切割机100多台。

而我国至今却只有600多台套激光切割机在使用中。

随着我国国民经济的飞速发展,许多传统产业需要改造,许多饭金加工领域有待开发,许多工业城市也需要建立激光加工中心。

因此,我国激光切割技术的推广和应用潜力很大。

据不完全统计我国目前每年生产CO2激光切割机近100台,共1.5亿元人民币。

其中除了通用的CO2激光切割机之外,还需要高速、高精度的数控激光切割机,切割厚板的大型数控激光切割机,三维立体数控激光切割机及激光切割机器人等[7]。

虽然激光切割的发展趋势较快,但应用水平与发达国家相比差距较大。

至2003年我国已在工业生产中使用的CO2激光切割系统累计已达500台左右,约占全世界正运行系统总量的1.5%。