激光切割技术

激光切割技术1概述2连续激光切割的基础3常用材料的激光切割特性4连续CO2激光的特色应用5脉冲固体激光的切割应用6连续固体激光的切割应用1概述•激光切割是利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑，将材料快速加热至汽化温度，蒸发形成小孔洞后，再使光束与材料相对移动，从而获得窄的连续切缝。连续激光可用于各种材料的高效率切割，红外脉冲激光主要用于金属材料的精密切割，紫外脉冲激光主要用于薄板金属或非金属材料的精密切割。连续激光切割加工是激光加工应用的重要领域，而CO2激光切割加工各种金属和非金属，则是激光切割应用的最大市场。2连续激光切割的基础•2.1连续激光切割材料的特点[1]•1.切割品质好•割缝窄（一般为0.1～0.5mm）、精度高（一般孔中心距误差0.1～0.4mm，轮廓尺寸误差0.1～0.5mm）、割缝粗糙度好（表面粗糙度一般为Ra12.5～25m）。•2.切割速度快、效率高•激光切割加工为无接触加工，惯性小，因此其加工速度快。•3.热影响区小、几乎无变形•虽然激光照射加工部位的热量很大、温度很高，但照射光点很小，且光束移动速度快，所以其热影响区很小。•清洁、安全、劳动强度低•由于激光切割自动化程度高，可以全封闭加工、无污染、噪声小，明显地改善了操作人员的工作环境。•5.几乎可用于任何材料的切割•激光亮度高、方向性好，聚焦后的光点很小，能够产生极高的能量密度和功率密度，足以熔化任何金属，还可以加工非金属，特别适合于加工高硬度、高脆性及高熔点的其他方法难以加工的材料。•6.不易受电磁干扰•激光加工不像电子束加工必须在真空中才能进行。•7.激光束易于传送•通过外光路系统可以使激光束随意改变方向，甚至可通过光纤传输，和数控机床、机器人连接起来，构成各种灵活的弹性加工系统。•8.激光切割经济效益好•尤其对于其他传统方法很难加工的材料，采用激光切割的优势更明显。•9.节能和节省材料•由于激光切割的割缝很窄，且为数控加工，可采用软件套排整版加工，可节省材料15%～30%。•2.2连续激光切割材料的机制及分类•一、连续激光切割机制•当激光功率超过一定阈值后，在材料被激光穿透前，熔化的材料在激光喷嘴吹出的气流的助推下被反向抛出，同时喷出物继续吸收激光能量，形成电浆，这些电浆对激光的吸收率很大，屏蔽了部份激光向材料表面的直接注入，使材料对激光的吸收减小，导致加热熔化时间变长，热影响区域变大，因此激光起始穿孔的口径较大。材料越厚，激光穿透的孔径越大。当材料被激光穿透后，以一定速度移动光束，则融蚀前缘熔化的材料，在激光喷嘴吹出的气流的助推下被正向吹出，形成的电浆将在孔内（或切缝内），此时电浆进一步吸收的激光能量，将通过热传导传递到材料基体，这相当于增大了材料对激光的吸收率，而使加热熔化时间变短，热影响区域变小，切缝变窄。•二、连续激光切割分类•1.汽化切割•当聚焦到材料表面的激光功率密度非常高时，与热传导相比，材料表面的温度上升极快，直接达到汽化温度，而没有熔化产生。飞秒激光切割任何材料都属于汽化切割，奈秒或连续激光切割只有在切割一些低汽化温度的材料（如木材、碳素材料和某些塑料）时，才属于汽化切割。•2.氧助熔化切割•当激光切割金属材料时，若所吹辅助气体为氧气或含氧的混合气体，使被激光加热的金属材料产生氧化放热反应，这样在激光能量外就产生了另一个热源——金属化学反应产生的热能，且两个热能共同完成材料的熔化及切割，称之为氧助熔化切割。•3.无氧熔化切割•当激光切割材料时，若所吹辅助气体为惰性气体，熔化的材料将不会与空气中的氧气接触，也就不会产生化学反应，故称为无氧熔化切割。•2.3影响连续激光切割质量的因素[3]•一、工件特性及激光光波长对切割质量的影响•直接工件特性及激光波长对影响材料对光束能量的吸收率，而对激光能量的吸收是实现激光加工的前提，吸收率的大小决定着激光加工的能量利用率。一般非金属材料对紫外激光和10640nm的CO2激光的吸收率很大，而对近红外输出的固体激光的吸收率，却因材料不同有很大变化。•二、技术参数的影响•影响激光切割质量的主要技术参数，有喷嘴结构、气流、辅助气体、切割速度、焦点位置、焦点大小、景深、穿孔、程序设计等。•1.气流与喷嘴•对气流的基本要求，是进入切口的气流量要大，速度要高，以便有足够的动量将熔融材料喷射吹出，对于金属切割还要有足够的氧化气流，使切口材料充分进行放热反应。•2.透镜焦距、焦点位置与切割质量•(1)透镜焦距与切割品质：激光切割的优点之一，是光束能汇聚成很小的光点，获得极高的能量密度，从而切出一窄的割缝，为此需要焦点光斑直径尽可能的小。一般大功率CO2激光切割机中，广泛采用127～190mm的焦距，此时焦点光斑直径在0.1～0.4mm之间，焦深在5～8mm之间，需要控制焦点相对于被切割材料表面的位置不超过焦深值。•(2)焦点位置与切割品质[4,5]：焦点位置的控制好坏对于切口品质影响极大。对于6mm以内金属薄板的切割，焦点在材料表面上下一定范围内都可整洁（不粘熔渣）地切割。加工金属的激光切割机主要采用电容非接触式间隙传感器，跟踪精度在0.01～0.1mm，标称间隙在0.5～3mm，测量电极结构一般采用与喷嘴一体式结构或环式结构。图3切割品质与焦点位置的关系图4割缝宽度与焦点位置的关系•(3)焦点判断•a.打印法：使切割头从上往下运动，在塑料板上进行激光束打印，打印直径最小处为焦点。•b.斜板法：水平等速推动斜放的塑料板，激光束的最小（切痕最小）处为焦点。•c.蓝色火花法：去掉喷嘴，斜向吹高压空气，将脉冲激光打在不锈钢板上，使切割头从上往下运动，直至蓝色火花最大处为焦点。•(4)焦点光斑的稳定方法：对于基模（TEM00模）激光，可视为理想的高斯光束，聚焦焦点的光斑尺寸d0是与激光束的光斑尺寸D成反比的，即•（1）•对于大型飞行光路激光切割机，由于切割近端和切割远程光程长短会相差2m以上，聚焦前的光束尺寸就有较大差别，导致各处聚焦焦点的光斑尺寸有变化。入射光束的直径越大，焦点光斑的直径越小。04λfdπD=?•3.切割穿孔技术•激光穿孔一般有两种方法：•(1)脉冲穿孔：一种先进的穿孔方法，可以获得较小穿孔直径。该方法适用于可以输出高峰值功率脉冲激光的连续激光器。由于每个激光脉冲只产生少量微粒喷射，因此厚板穿孔时间需要几秒钟。板材一旦穿透，立即加大气流量，或将辅助气体换成氧气（对于金属切割），按一定轨迹移动光束进行切割。•(2)爆破穿孔：当连续激光器没有高峰值功率脉冲激光输出时，采用爆破穿孔法。控制激光头移动到起始位置后停止运动，启动连续激光照射材料，使该点中心熔化形成一凹坑，然后由与激光束同轴的气流很快将熔融材料去除（反向喷出），经过一定时间形成一孔洞。一般孔的大小与板厚有关，爆破穿孔平均直径为板厚的一半。•切割速度•激光切割速度过低，则材料过烧，使切缝变宽，并使热影响区域显著增大。当激光切割速度过高时，则会使切口清渣不净，切口变得粗糙。可见若能保证恒定的最佳速度切割，效果最好。•5.程序设计•加工程序的优劣，建立在大量的技术实验的基础上，有丰富的经验才能编写出好的加工程序。而使用一个好的编程软件可以降低这方面的要求，因为好的CAD/CAM软件就是大量经验的总结。也是提高效率、节省时间、节省材料的有效方法。•三、激光参数的影响•1.激光功率对切割速度与切割质量的影响[4]•激光功率增加，在其他条件不变时，割缝宽度增加，实际上，激光功率增加，切割速度变大时切割质量仍然很好，切割速度范围也随之扩大。图6割缝宽度和激光功率的关系（1kgf/cm2＝98.0665kPa）图7切割品质随功率与切割速度的变化（1kgf/cm2＝98.0665kPa）•2.激光模式及光束质量对切割质量的影响•激光切割应选用单模或准单模激光，多模激光只能用于热处理或焊接应用。由于单模激光不但可以聚焦到很小的焦点，使切缝很窄，而且单模激光能量分布为中心对称，所以切割不同方向的割缝质量相同。而多模激光的能量分布是不对称的，所以不同方向的割缝宽度可能不均一，质量也可能不同。激光束质量的好坏可以采用光束远场发散角、光束聚焦特征参数Kf和衍射极限因子M2（M）或光束传输因子K来表示。图8几种CO2激光束横截面强度分布图9高功率固体激光通过光纤后光束横截面强度分布图103300W全固态激光束横截面强度分布激光器类型封离式慢速轴流横流快速轴流涡轮风机快速轴流扩散冷却型SLAB出现年代20世纪70年代中期20世纪80年代早期20世纪80年代中期20世纪80年代后期20世纪90年代早期20世纪90年代中期最大功率／W5001000200005000100004500光束品质M2不稳定1.51052.51.2光束品质Kf/mm．mrad不稳定5351795表1常用CO2激光器的光束品质激光器类型灯激发体半导体激发片状固体DISCLD端面激发Slab单颗光纤激光器多颗积体光纤激光器出现年代20世纪80年代20世纪80年代末期20世纪90年代中期20世纪90年代末期21世纪初21世纪初功率／W600044004000（样机）20070010000光束品质M2703571.1470光束品质Kf/mm．mrad25122.50.351.425表2工业用固体激光器的光束品质3常用材料的激光切割特性•3.1金属板材的激光切割•一、普通碳钢的激光切割•低碳钢最适合采用氧助熔化激光切割。低碳钢含有99%以上的铁，铁的氧化反应产生大量的热量，因此通过吹氧辅助，可以减小对激光能量的要求。另外氧气可自由穿过氧化反应造成的氧化铁层，进入熔化材料，使氧化反应可连续快速地沿切口移动。•高碳钢的激光切割质量也较好。与低碳钢比，只是热影响区稍微大一些。含杂质低的冷轧钢板的激光切割质量优于热轧钢板。镀锌钢板和涂塑薄钢板的激光切割效果很好•二、不锈钢的激光切割[2]•不锈钢一般采用高压氮气辅助切割，需要激光功率较高，切口白亮，不氧化、不变色。如用氧气助熔切割，在同样功率下切割速度可加快，但切口氧化变黑。不锈钢中含有10%～20%的铬，由于铬的存在，倾向于破坏铁的氧化过程，使熔化层氧化不完全，反应热减少，切割速度较低。另一方面，由于熔化物没有完全氧化，与工件之间有较大的黏附力，不易完全从切口吹除，较易在切口的下缘留有熔化残渣。图11切割不同材料钢材时的激光焦点位置•三、镍合金的激光切割•对镍合金的激光切割与不锈钢的切割相似，但由于熔融态的镍的黏度较高，更容易引发熔渣黏附在割缝背面，所以对镍合金的激光切割一般在较高的氧气压力下完成。随合金成分的不同，切割速度大约为切割同等厚度不锈钢的0.5～1.0倍。•四、钛及合金的激光切割•由于钛的氧化反应放热量很大，吹氧切割钛的氧化反应剧烈、切割速度较快，且很容易引起切口过烧，一般采用空气为辅助气体，更容易控制切割质量。而航空业常用的钛合金（Ti-6Al-4V）激光切割的质量较好，一般采用空气为辅助气体，在割缝的底部会产生少许粘渣，但很容易清除，而切口会由于吸收了氧，产生一硬脆氧化层。吹惰性气体可减少氧化污染问题，但切口附近存在的热影响区•五、铝及其合金的激光切割•由于铝及其合金的热导率大，对红外激光又有高反射率，连续激光很难完成穿孔。如打磨其表面使之变粗糙、涂吸光材料或阳极钝化铝表面，也可从边缘起切或从预先钻孔处起切。但切割铝及其合金的最有效办法，是采用高重复频率高峰值功率的脉冲激光，高的脉冲峰值功率能有效突破铝合金表面的吸收壁垒，获得良好的切缝。•六、铜材料的激光切割•铜和铝相似，对红外激光具有高反射率并具有高热导率，连续激光很难完成穿孔，属难切材料。采用高重复频率高峰值功率的脉冲激光，辅助吹氧，可以较好地切割铜合金。•3.2非金属材料的激光切割•对CO2激光，非金属材料几乎完全吸收10640nm的激光能量。一般切割所采用的辅助气体是空气。•非金属的切割可以是切割区的汽化、熔化或化学裂解。在某些情况下，材料切除过程是以上几种机制中的两个或三个的组合。•一、有机材料激光切割•纯的有机材料对YAG激光的透过率较大，所以不适合用YAG激光切割，而其