激光切割技术的研究与应用.docx

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激光切割技术的研究与应用

激光切割技术的研究与应用

摘要：

激光切割以其切割范围广、切割速度高、切缝窄、热影响区小等优点被广泛的应用到各种加工领域，是激光加工中比较成熟的技术之一。

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。

本文简要描述激光切割技术在金属和非金属材料的加工中的广泛应用；同时，激光切割技术可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量的问题。

关键词：

激光；激光原理；激光技术；激光切割

ResearchandApplicationofLasercuttingtechnology

Abstract:

Licenseplaterecognitionsystemisthecoreofintelligenttransportationsystemcomponentsusedinavarietyoftrafficmanagement.Inthispaper,imagepreprocessingsystem,liLasercutting,foritswildcuttingarea,cuttingfastly,narrowhole,littlehotinfluence,ispopularwithsomekindofprocessing.LasercuttingisafocuslenstoCO2laserbeam,focusedonthemeltmaterialinthematerialsurface,atthesametimewithcompressedgasblowingawaywiththecoaxiallaserbeamwasmoltenmaterial,andmakethelaserbeamandmaterialsalongacertainpathtomakerelativemotion,thusformingacertainshapeofthecuttingseam.Thispaperbrieflydescribesthelasercuttingtechnologyiswidelyusedinmetalandnon-metallicmaterialsprocessing;Anditcangreatlyreducetheprocessingtime,reducetheprocessingcost,improvethequalityoftheworkpiece.

Keywords:

Laser;Principleoflaser;Lasertechnology;Lasercutting

1绪论

自1960年美国研制成功世界上第一台红宝石激光器，我国也于1961年研制成功国产首台红宝石激光器以来，激光技术被认为是20世纪继量子物理学、无线电技术、原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之后的又一重大科学研究技术新成就。

30多年来，激光技术得到突飞猛进的发展，不仅研制了各个特色的多种多样的激光器，而且激光应用领域不断拓展，并形成了激光唱盘唱机、激光医疗、激光加工、激光全系照相、激光照排印刷、激光打印、激光切割以及激光武器等一系列新兴产业。

激光技术的飞速发展，使其成为当今新技术革命的“带头技术”之一。

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、高精度和高适应性的特点。

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过程等优点。

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，能大大缩减生产周期和降低成本。

2激光产生原理

2.1激光的产生需要三个基本条件

即工作物质，泵浦源，光学谐振腔。

本文着重介绍光学谐振腔。

光学谐振腔是产生激光的必要装置之一，它的作用在于通过入射光的频率、方向的选择，以及提供光学正反馈，从而产生出具有高亮度、方向性极好、单色性极好的激光束。

谐振腔的结构不复杂，一般都是由两个反射镜组成。

这两个反射镜既可能是凸面镜，又可能是凹面镜，也可能是平面镜。

在几何光学中关于距离的规则是，在反射镜前面的距离为正，后面的距离为负。

对凹面镜的半径，R>0，焦距f=R/2>0，对凸面镜，R<0，f=R/2<0。

若腔长（二镜距离）为L，二镜曲率半径为

、

。

当他们之间的关系满足

1-1-1

则任意近轴光线在其内部多次来回反射时，光线离轴的高度不会无限增大，这样的腔是稳定腔，1-1-1式叫做光学谐振腔的稳定条件。

因而满足稳定条件的激光器件和使用非稳腔的激光器件均在激光领域有所应用。

2.2激光产生的阈值条件

光在谐振腔中的工作物质里传播时，还存在各种损耗，因此只有当光在腔中来回一次所得到的增益等于或大于各种损耗之和时，才可能形成激光输出。

3激光切割技术概述

3.1激光切割原理

一般激光切割时，切割头中安装可以将激光聚焦到一个很小光斑的透镜。

激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射切割材料，在超过激光的阈值功率密度的前提下，激光束大部分能被材料吸收，由此引起激光照射点的温度急剧上升，达到一定的温度后被切材料开始汽化或者燃烧。

同时，由切割头喷出一股与光束同轴的气流，从切口底部吹出汽化或燃烧的材料，并形成孔洞继而穿透。

随着激光束与被切材料的相对运动，最终形成切缝，从而使激光穿透变为激光切割。

其工作示意图如图1所示。

3.2激光切割的分类

3.2.1汽化切割

　　利用高能量密度的激光束加热工件。

在短的时间内汽化，形成蒸气。

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。

3.2.2熔化切割

　　激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，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。

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。

3.2.3氧气切割

　　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，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。

3.2.4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处裂开。

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，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。

3.3激光切割的优缺点

3.3.1激光切割的优点

（1）切割质量好

　　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;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;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。

激光切割、氧乙炔切割和等离子切割方法的比较见表1，切割材料为6.2mm厚的低碳钢板。

（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。

（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。

3.3.2激光切割的缺点

由于受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割厚度较低的板材和管材，工件厚度的增加，切割速度明显下降。

而且激光切割设备费用高，一次性投资大。

3.4激光切割的应用范围

大多数激光切割机都由数控程序进行控制操作或做成切割机器人。

激光切割作为一种精密的加工方法，几乎可以切割所有的材料，包括薄金属板的二维切割或三维切割。

在汽车制造领域，小汽车顶窗等空间曲线的切割技术都已经获得广泛应用。

德国大众汽车公司用功率为500W的激光器切割形状复杂的车身薄板及各种曲面件。

在航空航天领域，用激光切割加工的航空航天零部件有发动机火焰筒、钛合金薄壁机匣、飞机框架、钛合金蒙皮、机翼长桁、尾翼壁板、直升机主旋翼、航天飞机陶瓷隔热瓦等。

　　激光切割成形技术在非金属材料领域也有着较为广泛的应用。

如氮化硅、陶瓷、石英等；柔性材料，如布料、纸张、塑料板、橡胶等。

还应用于机床、工程、电器开关制造、电梯制造、粮食机械、纺织机械、机车制造、农林机械、食品机械、特种汽车、石油机械制造、环保设备、家用电器制造、大电机硅钢片等各种机械制造加工行业。

4激光切割机

4.1激光切割机原理及原理图

激光切割机与普通光明显不同是激光仅在最初极短的时间内依赖于自发辐射，此后的过程完全由激辐射决定，因此激光具有非常纯正的颜色，几乎无发散的方向性,极高的发光强度激光同时又具有高相干性、高强度性、高方向性，激光通过激光器产生后由反射镜传递并通过聚集镜照射到加工物品上，使加工物品（表面）受到强大的热能而温度急剧增加，使该点因高温而迅速的融化或者汽化，配合激光头的运行轨迹从而达到加工目的。

图2激光切割机原理图

图3激光切割打孔机实物图

4.2激光切割应用普及原因

激光切割与其他切割在方法是有很多不同，下边激光切割对此做出简单的分析如下：

对于一些金属零件的切割我们可采取冲剪工艺方法，这样既效率高、速度快，而且成本也低但需要特定的模具和刀具才能进行切割且只能在最薄板进行冲、剪加工，激光切割与该切割方法相比具有柔性好，可随时进行任意形状工件的切割加工且不用模具的有点。

冲剪工艺将很难或无法实现因此没有被广泛的利用。

火焰切割也是金属领域常用的切割工艺之一，切割的厚度范围也是非常大，但与激光切割比较、切割表面质量和精度相对较差，但能对厚板及加工范围比激光切割大，故对于比较精细的一般还是采用激光切割。

对于金属的加工，线切割有着更高的精度，且能对厚板进行切割，但是它的缺点就是速度很慢，有时需要用其它方法另外穿孔、穿丝才能进行切割，而且切割尺寸也受到很大局限，激光切割可以对材料打孔、切割，切割速度很快，加工尺寸范围比线切割大的多。

激光切割目前广泛用于金属加工行业，激光切割速度快，精确度高。

对中薄板材、铝板、不锈钢等金属板材的切割有绝对的优势，这也是激光切割不能被取代的原因，相信随着人们对于激光切割产品的需求不断加大，激光切割会更加的普及。

5总结

本文主要依靠激光切割这个中心点，讲述了激光产生的条件，激光切割原理，激光切割的优点所在。

激光切割的独特之处，使得激光切割技术在金属和非金属材料的加工中得到广泛应用，同时还可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量的问题。

减少了加工困难度，提升了安全空间。

当然，激光切割技术在国内还有很多有待提升的地方。

正如激光切割机，正在接近我们的日常生活。

在世界市场上，激光切割机正在向高功率、大幅面、厚板材方向发展。

切割焊接是造船行业最基础的加工工艺，目前我国船用钢板切割一般采用火焰切割、等离子切割，由于精度有限，特别是对特殊材料的甲板和船体材料，许多国外大型造船厂普遍采用大幅面厚板材激光切割机，国内造船企业已经开始进行设备选购，特别是特种用途的船艇，采用激光切割已经成为一种必须的加工手段。

预计在未来5-10年，这一应用行业的生产需求极大。

随着“精密造船”时代的来临，高功率CO2激光切割技术及装备在先进国家造船业得到了越来越广泛的普及应用。

未来将奔着更加高速、高精度的激光切割机；实现激光切割单元自动化，无人化技术的成熟；可以完成厚板切割和大尺寸工件切割等等一些激光切割方面的问题。

这些都是我们以后要研究和解决的问题，科研之路永远神奇而实用。

精益求精的精神将指导我们完成更多的探索，更好的为世界上的人民带来便利。

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