激光切割

激光切割名字：赵伟院系：物理系专业：光信息科学与技术学号：2009112129日期：2011年11月18日激光切割摘要：激光切割是利用激光束聚焦形成的高功率密度的光斑，将材料或者某种物质快速加热至汽化温度，将材料去除，从而获得所需要的图案和切缝的加工方法。

关键词：激光切割，质量，速度，光程绪论激光自问世以来已有40多年，它一经问世就发展得十分迅速。

目前，激光应用已经遍及工业、农业、医学业、军工业等各个行业，在各个行业中都产生了巨大的影响。

激光在制造业中的发展同样迅速。

激光制造技术具有效率高、质量优、清洁、激光材料范围广、经济效益好、易于进行自动化控制，能实现柔性加工和智能加工，能解决传统加工中无法解决的问题等优点，已成为先进制造技术的重要组成部分。

目前发达国家和发展中国家都把激光制造技术作为提高生产率和参与国际竞争的重要手段。

作为高科技的激光技术，自问世以来，就一直针对不同的社会需求研发出适合各行业的激光设备。

如激光打标机、激光切割机、激光焊接机、激光快速成型机、激光切割机等。

近年来小功率激光切割机由于其具有集切割、裁剪、雕刻功能于一体，切割速度快、雕刻精美、定位精确高等技术优势;以及切割面光洁无痕、无需抛光、维护简单、成本低廉等优点，在电子、广告业、印章业、工艺礼品业、艺术模型业、木器加工业等行业的应用越来越广泛。

原理：激光切割是由激光器所发出的水平激光束经45度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，使工件瞬间汽化，再配合辅助切割气体将汽化的金属吹走，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。

激光切割的分类：从切割各类材料不同的物理形式来看，激光切割大致可分为气化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制断裂切割四类。

（1）气化切割工件在激光束加热下升温至沸点以上温度，部分材料化作蒸气逸去，部分作为喷出物从切缝底部吹走。

它需要的高功率密度，是熔化切割机制所需能量的10倍，这是对不能熔化的材料如木材、碳素和某些塑料所要采用的切割方式。

（2）熔化切割激光束功率密度超过一定值时，会在工件内部蒸发、形成孔洞。

然后，与光束同轴的辅助气流把孔洞周围的熔融材料驱除、带走，这就是熔化切割。

其所需功率密度是气化切割的1/10。

（3）氧助熔化切割如果用氧或其他活性气体代替熔化切割所用的惰性气体，由于热基质的点燃，激光能外的另一热源同时产生，与激光能量共同作用，进行熔化切割。

（4）控制断裂切割通过激光束加热，易受热破坏的脆性材料高速、可控地切断，称之为控制断裂切割。

其只需要很小的激光功率。

功率太高会造成工件表面熔化，并破坏切缝边缘。

非金属的切割通常有3种方式：熔化切割，气化和控制断裂切割。

在某些情况下，材料切割过程是其中的2种或3种组合。

激光切割精度的提高激光切割具有切缝窄, 热影响区小,切口光洁,切割速度快,柔性好等优点而成为激光加工中应用最为广泛的技术.随着生产发展和科学试验的需要, 零件形状愈来愈复杂, 表面精度、粗糙度和某些特殊要求也愈来愈高. 如广泛应用于油田的钻井完井和采油防砂的割缝筛管, 由于其特殊的功用, 对筛缝有较高的技术要求: 缝宽必须在0. 2mm ～0. 5mm 范围内.（1） 决定激光切割质量的一个重要因素是激光的模式. 具有基模模式的光束可以聚焦到最小的光斑尺寸.焦数比( F/D) 对切缝宽度和切割面粗糙度的影响 激光反应熔化切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件, 同时辅助同轴吹氧, 利用激光的能量以及被切材料与氧发生放热反应的热量共同作用, 使材料熔化且被辅助气体吹除. 随着光束与工件的相对运动, 最终使材料形成切缝. 在其他影响因素均相同的条件下,聚焦光斑直径越小, 功率密度越大, 则热影响区越小, 缝宽越窄, 切割质量越好.采用实际聚焦透镜将基模激光束聚焦所得的最小光斑直径可近似表示为由衍射所决定的腰斑直径和由透镜像差所决定的最小弥散圆直径的和, 由下式表示:F KDD F2327.1d +=λ其中: d 聚焦光斑直径;λ：CO2 激光的波长（10.6um)F: 透镜焦距;K :无量纲系数, 其值决定于透镜的曲率半径和材料;D :聚焦透镜处光束直径.从上式可以看出, 焦数比F/ D 对衍射的腰斑直径和像差弥散圆直径有相反的影响.切缝宽度与光斑直径大体是一致的, 且稍大于光斑直径.因此选用短焦距透镜进行切割确实可以达到减小筛缝缝宽的目的，且在保证焦深的前提下, 焦斑直径越小, 切缝越窄, 切口表面粗糙度越低. 而焦斑直径与焦数比有关, 在焦数比取为最佳值的前提下,焦距F 实际上由光束直径D 决定.（2）辅助氧压对切割质量影响辅助氧气在激光切割中, 氧化反应供给的热量约占激光切割所需能量60%以上，当激光功率和切割速度一定时, 氧压大, 氧气流量大, 则氧化反应速度加快, 氧化发热量大, 使切口变宽, 切口断面光洁度变差, 切口条纹深而粗; 当氧压减小时, 氧气流量低,则氧化速度降低, 氧化发热量少, 使切口变窄, 切口断面光洁度提高, 切口条纹变浅变细; 当氧压再降低时, 切口材料未完全氧化, 切口下表面粘附较多熔融物, 甚至于未切透.所以氧气压的选择极为重要。

激光切割质量的影响因素在激光切割机工作原理的基础上, 从激光系统固有特性、激光切割工艺和被切割材料特性等方面分析光斑模式、焦距深度、切割功率、切割速度、辅助气体以及压力、光程、切割材料等影响激光切割质量的因素有关。

（1）光斑模式对激光切割质量的影响大功率横流CO2 激光发生器通常采用稳腔结构, 当腔的菲涅耳数大于1 时, 输出的激光束可用拉盖尔高斯光束进行近似描述。

Ws1、s2 为腔镜上基模光斑半径, 且:2r / L - 1 2 g 1r / L - 1 1 g } ] g2) g1 - 1 1( g [g1/ {/ )/ L ( Ws2} ] g2) g1 - 1 1( g [g2/ {/ )/ L ( Ws11/41/21/41/2====πλπλ其中: L 为腔长; r 1、r 2 为腔镜的曲率半径。

可见, 激光模式越高, 光斑半径越大。

若在激光腔内设置光阑, 抑制高阶模, 限制高阶模振荡,可获得低阶模甚至单模输出, 激光束质量将得到明显的改善。

因而, 激光光斑模式决定了激光束的质量, 它对激光切割能力、切缝大小及切口粗糙度等均有极大影响。

在二维切割时, 光斑模式最好采用基模, 其光斑半径和发散角均较小, 有利于提高切割精度和切割质量。

（2）激光输出功率对切割质量的影响当切割速度较低时, 激光切割如同火焰切割,是以氧化为主。

当切割速度较高时, 利用激光束轴线至前沿距离的自动调节和加热作用, 使切口前沿温度达到2000 摄氏度以上, 以此维持切割过程。

激光功率大小对切割厚度、切割速度、切口宽度和质量等都有很大影响。

一般说来, 激光功率越大, 所能切割的板厚越大, 切割速度也可增大。

然而, 随着功率的增加, 切口宽度随之略有增加。

通常, 激光功率是根据加工板材厚度和要求的切割速度确定, 可按下述方法进行估算, 即P1= E0*U*d(w)式中: E0 为激光能量密度(-2cm J ∙) ; U 为切割速度( -1s cm ∙) ; d 为激光束聚焦后光斑直径(cm) 。

按上式求出功率后, 再考虑激光束传送过程中的能量损失, 即可得出所需的激光器功率。

（3）切割速度对切割质量的影响当激光功率和辅助气体压力一定时, 切割速度与切口宽度保持一种非线性反比关系。

当切割速度升高时, 则切口宽度减小; 若切割速度降低时, 切口宽度将会增大。

切割速度与切口表面粗糙度呈现一种抛物线关系, 随着切割速度低的降低, 表面粗糙度迅速增加; 随着切割速度的增加,表面粗糙度得到改善, 当切割速度超过某一最佳值后随切割速度增大, 粗糙度改善较为缓慢; 当激光切割速度增加到某值后, 将切不透材料。

（4）光程对切割质量的影响光程指激光束从激光器出发到板材加工面所走过的路程。

光程的增加会使激光束的波前曲率发生变化, 进而影响焦点的位置。

特别是在对不锈钢进行无氧化物切割时, 必须精确调整激光束的焦点, 以获得较为稳定的切割质量。

激光束焦点的调整, 可借助于一套伺服辅助透镜完成。

但在高压切割时, 透镜会产生巨大能量, 因而最好采用自适应光学系统来完成这一工作。

在自适应光学系统中, 反射镜的曲率半径可借助压电功率计或冷却水压计进行修正。

一个几十分之一微米的微小镜面变形, 可使焦点位置偏移几个毫米。

自适应光学系统可将焦点精确定位于所需的位置,反射面的失真可小于0.1mm。

采用易变形的球面镜时, 加工中必须尽可能保持垂直的入射角, 以防止象散而影响聚焦。

目前, 装有自适应光学系统的激光切割机, 能够处理长距离移动加工, 并能保证在整个加工区域内进行稳定的高质量激光切割。

（4）被切割材料物理特性对切割质量的影响对于不同的材料, 由于自身的热物理性能与激光束能量的吸收率不同, 表现出不同的激光切割适应性, 并且对辅助气体的要求也不尽相同。

一般情况下, 材料厚度与所要求的激光功率成正比, 与加工速度成反比。

不同的材料、不同的厚度, 其激光器功率的选择、辅助气体及工作压力以及聚焦点位置选择也是不相同的。

只有综合考虑被加工材料的性能, 合理选择相关的工作参数, 才能达到优化的切割加工。

激光切割应用激光切割是激光加工应用最早也是目前应用最大的一种加工方式。

其主要原理都是基于聚焦后的高能量密度（10e6~10e8J/cm*cm)在瞬间使固体材料蒸发或者气化，目前该技术已广泛应用于实际工业生产和各行各业中, 适应的材料包括钢材、铝材、有机材料和无机材料等。

在美国, 绝大多数3/4英寸以下金属板材的切都由激光加工来完成, 近年来激光切割逐渐扩展到大量厚钢板(25mm 以上)切割,国外现已能切割35mm以上厚钢板。

在石油工业中最明显的例子是激光切割石油管道筛管。

用割缝筛管采集石油是目前油田开采石油的常规方法, 筛缝管的求很苛刻, 原油可以渗进来但沙子不能漏进来。

以往加工筛缝管用陶瓷片, 缝宽一般在0.5mm ,且割缝在钢管内外壁宽窄一致, 容易造成割缝堵塞, 进而影响出油量。

用激光切割缝宽可达0.2-0. 3,而且可以根据需要切割各种截面形状, 提高了出油量。

华工科技、华中科天津大学、天津激光技术研究所、长春光机所等单位都先后开展了激光切割石油管材的研究, 内容包括工艺、装夹、成套设备及系统等。