第4章 激光切割与打孔

第4章激光切割与打孔技术2013年秋·机电工程学院温州大学研究生课程激光先进制造技术激光束与材料的交互作用R＋α－T＝1，R为反射系数，α吸收系数，T为透射系数。吸收率与波长的关系吸收率与温度的关系吸收率随材料温度升高而变化吸收与表面膜层的关系添加膜层可以提高金属对激光束的吸收率激光功率密度对物质作用规律的影响103W/cm2104W/cm2105W/cm2106W/cm2材料成型加工的主要方式：（1）材料的去除过程！（2）材料的添加过程！（3）材料的连接过程（4）材料的变形过程！（5）材料的相变过程！激光材料加工技术的主要方式：（1）激光去除材料工艺：激光切割、刻蚀、三维铣削（雕刻）、打孔等；（2）激光添加材料工艺：激光钎焊、激光熔覆、激光熔覆三维快速制造技术；（3）激光连接材料过程：激光拼焊、搭焊、异种材料的焊接等；（4）激光成型技术：激光冲击成型、激光成型技术；（5）激光相变技术：激光淬火、激光固化、激光诱导相变。第4章激光切割与打孔技术激光切割的基本方式：（1）激光熔化切割：（2）激光氧化切割：（3）激光气化切割（4）激光复合切割高功率激光熔化割缝材料，高压气体吹掉熔融材料，形成割缝。所吹送的气体是氧气，在吹掉割缝材料的同时，起到助燃的作用。割缝材料的逸出过程主要通过气化、蒸发完成，一般为低燃点的材料。采用特殊喷嘴，利用激光束稳定氧气火焰炬，完成复合切割过程。激光切割割缝的基本构成激光切割后板材的组织结构特点激光切割后的板材重铸层热影响区其它部分激光切割的物理过程单纯激光切割的割缝样品7kwCO2激光切割激光切割技术的优点割缝窄，适合精密切割；割缝陡直，垂直度好；割缝平整、清洁，适合直接焊接；无机械切割时的挂渣等现象，实现无毛刺切割；热影响区小，重铸层薄，工件变形小；可以实现盲槽切割；激光功率：2－5kw，切割厚度10－20mm激光切割工艺的特点几乎可以切割所有固体材料：不管它是软、硬、脆、导电等。高速切割；工件不需要装夹；非接触加工，工具磨损为0；可以切割任何复杂形状；容易实现自动化；改变加工零件时，只需要改变程序；激光切割过程中的通用能量表达式ŋPL+Pr=PTp+Pm+Pv+Plŋ:材料对激光束的吸收率；PL：激光束功率；Pr:反应热；PTp：将割缝金属加热到处理温度Tp时所需要消耗的能量；Pm：熔化上述割缝金属所需要的能量；Pv：气化上述割缝金属所需要的热量所需要消耗的能量（部分气化）；Pl：补偿上述过程中热传导所导致的损失。激光功率消耗分布情况激光切割过程中的能量分配图激光切割工艺（1）——熔化切割ŋP=wtVρ[CpΔT+Lf+m’Lv]将上述公式重新组合，(P/tV)=(wρ/ŋ)[CpΔT+Lf+m’Lv]=f(材料）对于给定的激光束来讲，上式右边是个常数。如何利用激光功率进行切割，非常重要。激光熔化切割时的液滴输运过程激光切割工艺（2）——反应熔化切割如果通入氧气，则反应提供的能量将用于切割。碳钢：60％能量（化学能）不锈钢：60％能量（化学能）钛合金：90％能量（化学能）因此可以提高切割速度。一般而言，切割速度越快，透过的能量越少，热穿透越少，切割质量越好！反应熔化切割时的液滴输运过程无氧切割时，ŋP=wtVρ[CpΔT+Lf+m’Lv]有氧切割时，ŋP+Q=wtVρ[CpΔT+Lf+m’Lv]激光切割工艺（3）——气化切割气化切割的过程（材料不发生熔化时）：V=F0{ρ[L+Cp(Tv-T0)]}（m/s)F0=吸收的功率密度；ρ＝被切割材料的密度L：熔化与气化潜热；Cp固体材料的热容量Tv：气化温度；To：固体材料的起始温度气化切割过程的物质输运过程纳秒、皮秒、飞秒激光的刻蚀过程都是气化切割过程！激光标记过程实际上可以认为是激光切割过程中的一个特例！三种切割方式的能量状态比较激光切割头的结构3.5.2激光切割过程的实际工艺参数激光束光束特性：光束直径和模式，功率，输出方式，偏振状态，波长；传输参数：速度，焦距；气体性质：气体速度；喷嘴位置、形状和对中情况；气体成分；材料性质：光学性质和热学性质。激光束光束特性光斑直径越小，光束模式越好（高斯模或者低阶模），切割质量越好；高亮度激光束能够穿透厚板，并且获得窄割缝。但是，割缝的宽度与厚度密切相关。激光功率对切割速度的影响激光功率和输出方式（连续/脉冲）激光功率增加，切割速度增大；如何实现尖角等处的精密切割？脉冲激光的正确、合理使用！提高峰值功率对于切割高反射率、高导热率的材料具有显著优势。脉冲激光切割铝合金的最大厚度比同样激光功率水平的连续激光高出一倍，切割速度高出20％脉冲激光减少热输入，可以切割40o的锐角，而脉冲频率和切割速度决定切割的波纹和割缝粗糙度。激光束的偏振状态激光波长和脉宽的影响激光波长越短，材料的吸收率越高；Nd:YAG激光的吸收率高，应该有较高的切割速度，但是其较差的光束模式限制了其在切割机中的应用！光纤激光器的发展为YAG激光在切割中的应用开辟了全新的途径！紫外全固态激光器和超快激光器的出现，给电子制造领域带来了很大的活力。切割速度Vs越快，热扩散越小，热影响区越窄，激光切割质量越好；当速度过快，不能形成稳定的割缝时，必须降低切割速度。激光切割时的焦点位置一般应该在工件表面之下的一定位置，具体值取决于板厚；对于厚板，焦点位置应该安放在哪里？激光切割的双焦点镜头设计：气体性质的影响：（1）流速的影响激光切割过程的实际工艺参数激光束光束特性：光束直径和模式，功率，输出方式，偏振状态，波长；传输参数：速度，焦距；气体性质：气体速度；喷嘴位置、形状和对中情况；气体成分；材料性质：光学性质、热学性质和化学活性。激光束光束特性光斑直径越小，光束模式越好（高斯模或者低阶模），切割质量越好；高亮度激光束能够穿透厚板，并且获得窄割缝。割缝宽度一般在0.05-1.0mm的范围内。割缝的宽度与板材厚度密切相关。激光切割系统的评价标准（1）切割效率：切割速率、切割图形的排版效率、切割路径的优化；（2）切割质量：割缝宽度与平整度，割缝精度，切割工艺稳定性，切割尖角等；（3）切割图形数据库；（4）设备的工作稳定性：长时间工作工件的加工精度、废品率等。（1）切割效率切割速率：m/min切割图形的排版效率、切割图形与路径的优化:在多图形条件下如何排版，并且优化路径，使得加工的空程率尽量减少？切割途径的优化？空程的减少？激光切割质量的评价标准（1）割缝宽度：影响激光切割质量的几大要素（1）喷嘴激光切割割面的构成：采用惰性气体作为工作气体时（1）激光束的直接穿透面，割面非常细；（2）主切割区？主要能量吸收区域；（3）熔化快速失稳区；切割工艺之（4）——激光诱导应力断裂对于脆性材料而言，由于激光细光斑的热作用，使脆性材料本身诱导热裂纹，并发生断裂的过程。受控切割过程中，激光束不熔化也不损伤材料表面，因此所需要的激光功率很低。切割工艺（5）——激光划片采用脉冲激光在基板表面加工出槽或者孔（穿透或者盲孔）使得基板结构弱化，足以便于机械破断。低能量、高功率密度、高重复频率。切割工艺之六——冷切割（准分子激光切割或者紫外激光切割）采用准分子激光进行切割，满足激光加工要求。切割工艺之七——激光辅助氧割激光复合切割技术基本原理：通过设计特殊的喷嘴，提高激光能量利用率，采用低功率的激光器切割厚板，钢板的最大厚度达到70mm。切割速度与能力：30mm厚度的钢板最大切割速度350mm/min,推荐为250－300mm/min;40mm厚度的钢板最大切割速度300mm/min,推荐200－250mm/min,50mm厚度的钢板最大切割速度200mm/min,推荐150－175mm/min。激光复合切割技术主要技术特点（1）割缝平整；（2）坡度小；（3）厚板穿刺速度快；（4）成本低；（5）不改变原有激光器的光路；（6）不受进口激光器的限制。激光切割厚板典型实例激光切割厚板典型实例激光复合切割后割缝面的平整度3.5.2激光切割过程的实际工艺参数激光束光束特性：光束直径和模式，功率，输出方式，偏振状态，波长；传输参数：速度，焦距；气体性质：气体速度；喷嘴位置、形状和对中情况；气体成分；材料性质：光学性质、热学性质和化学活性。激光束光束特性光斑直径越小，光束模式越好（高斯模或者低阶模），切割质量越好；高亮度激光束能够穿透厚板，并且获得窄割缝。割缝宽度一般在0.05-1.0mm的范围内。割缝的宽度与板材厚度密切相关。激光功率对切割速度的影响激光输出方式（连续/脉冲）的影响激光功率增加，切割速度增大；如何实现尖角等处的精密切割？脉冲激光的正确、合理使用！提高峰值功率对于切割高反射率、高导热率的材料具有显著优势。脉冲激光减少热输入，可以切割40o的锐角，而脉冲频率和切割速度决定切割的波纹和割缝粗糙度。脉冲激光切割铝合金的最大厚度比同样激光功率水平的连续激光高出一倍，切割速度高出20％激光束的偏振状态对切割速度与质量的影响激光波长和脉宽的影响对于金属材料而言，激光波长越短，材料的吸收率越高；金属材料对Nd:YAG激光的吸收率高，应该有较高的切割速度，但是其较差的光束模式限制了其在切割机中的应用！光纤激光器的发展为YAG激光在切割中的应用开辟了全新的途径！紫外全固态激光器和超快激光器的出现，给电子制造领域带来了很大的活力。切割速度对割缝质量的影响规律Vs越快，热扩散越小，热影响区越窄，激光切割质量越好；当速度过快，不能形成稳定的割缝时，必须降低切割速度。激光切割尖角和圆角时如何确保质量采用相对较低的脉冲激光输出，调节占空比；在尖角出喷射一定的冷却水，这不会影响切割过程（因为热作用和氧气的作用），而由于表面张力的作用会冷却周围的环境。激光切割厚板时的焦点位置一般应该在工件表面之下的一定位置（1mm）；对于厚板，焦点位置应该安放在哪里？激光切割的双焦点镜头设计。气体性质的影响：（1）气体压力和流速的影响：在一定范围下，气体压力越大，切割速度越高；一般的气压使用范围：1－6bar(低压，氧气)，10-20bar(高压，氮气和氩气）。气体性质的影响：（2）激光束与喷嘴匹配位置的影响：通过调整激光束与光束的匹配关系，使得激光切割的毛刺全部进入被抛弃的那一面！（3）气体成分的影响：有氧切割与无氧切割速度存在差异；氧气的纯度对切割速度的影响存在差异；氧切割不锈钢特别容易产生陶瓷熔渣；喷嘴结构对激光切割质量的影响典型喷嘴的结构:激光切割工艺参数的影响激光切割的最佳工艺参数参考范围Nd:YAG激光切割金属材料的主要工艺参数材料性能对切割质量的影响规律光学性质（是否透明？对给定波长的激光束吸收率如何？）热学性质（熔点？沸点？热传导系数？热容量）化学活性（是否容易氧化？是否容易形成氧化物其其它化合物？）激光切割非金属材料的主要工艺参数激光精密切割和微切割采用峰值功率很高的Nd:YAG激光器，可以实现各种激光精密切割工艺过程；平均功率P=400W；E=40J/pulse,τ=20x10-3ms;d=0.2mm;则：峰值功率Pp=2000W功率密度Pd=6.4x105W/mm2高峰值功率脉冲激光特别适合切割高反射率的材料，如铝合金、铜合金。Nd:YAG激光切割技术激光器平均功率:120-400W;单脉冲能量：0.5-30J最大重复频率：10-400Hz切割速度受到脉冲激光重复频率的限制激光精密切割心血管支架激光精密切割实例SMT模板切割21mm38mm激光切割系统的评价标准（1）切割效率：切割速率、切割图形的排版效率、切割路径的优化：米/分钟（2）切割质量：割缝宽度与平行度，割缝精度，切割工艺稳定性，切割尖角等；（3）切割图形数据库；（4）设备的工作稳定性：长时间工作工件的加工精度、废品率等。激光切割过程中的空程率？激光切割设备的评价（1）激光切割设备的主要市场在于金属板材的成型加工，CO2激光器由于其稳定的性能、价格便宜等特点，目前在激光切割机市场占据主导地位；（2）Nd:YAG激光器的主要缺