95 崔立伟激光切割技术.docx

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95崔立伟激光切割技术

包头轻工职业技术学院

毕业论文

论文题目：

激光切割技术

机电093038班

09063095

班　　　　级：

崔立伟

学　　　　号：

_________________________

机电一体化技术

作　　者：

_________________________

专业名称：

_________________________

2011年03月01日

激光切割技术

论文题目：

崔立伟

作者：

_________________________

包头轻工职业技术学院

蔡静、柏劲松

包头轻工职业技术学院

张晓晖、王亚非

指导教师：

单位：

　　　　　　单位：

论文提交日期：

2011年03月01日

摘　　要

KeyWords：

精密切割、速度快、效率高

激光是一种以量子系统（原子、分子、离子、电子束等）受激辐射原理为基础而获得的红外、可见、紫外乃至软X射线波段的相干电磁辐射。

激光器也是多种多样，如固体激光器、气体激光器等等。

激光切割技术利用光的能量经过透镜聚焦后，投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程。

用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。

激光能适应任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用。

，由于它具备精密制造、柔性切割、题异型加工、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。

目　　录

摘　　要2

1概述3

2激光切割原理4

3激光器分类及原理6

4激光切割的特点8

5激光切割技术的应用10

结论12

参考文献13

致谢14

1概述

激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门新兴技术，在材料加工方面，已逐步形成一种崭新的加工方法──激光加工。

激光加工可以用于打孔、切割、电子器件的微调、焊接、热处理及激光存储等各个领域。

由于激光加工不需要加工工具，加工的小孔孔径可以小到几个微米，而且还可以切割和焊接各种硬脆和难熔工件，具有加工速度快、效率高、表面变形小等特点，而且，应用范围广。

另外，激光在机械制造业还可以用于机密测量等方面。

激光是一种以量子系统（原子、分子、离子、电子束等）受激辐射原理为基础而获得的红外、可见、紫外乃至软X射线波段的相干电磁辐射。

它的特点是：

①单色性好，即频带窄或时间相干性好。

激光的频率抖动可以比普通单色光源高9个量级。

②方向性强，这是由于空间相干性好。

激光的发散角可以做到2×107弧度,相当于最好的探照灯光束发散角的百分之一。

若加光学系统扩束，发散角还可进一步缩小。

③亮度高,这是由于光子流密度高。

激光器输出光子流密度可相当于0.1～10瓦每平方厘米，加光学系统聚焦后,最高可提高107倍。

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激光切割原理

激光切割是指利用照射到待加工材料表利用激光束的能量溶合或去除材料以及改变材料的表面性能，从而达到加工的目。

人们曾用透镜将太阳光聚焦，可使纸张木材引燃但无法用做材料加工。

这是因为：

①地面上太阳光的能量密度不高；②太阳光不是单色光，而且红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等不同波长的多色光聚焦后焦点并不在同一平面内。

只有激光是可控单色光，强度高，能量密度大，可以在空气介质中高速加工各种材料。

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[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,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]。

激光切割设备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激光器分类及原理

3.1固体激光器

固体激光器的工作物质是掺有激活离子的晶体或玻璃。

固体激光材料已有数百种,应用最广的是掺钕钇铝石榴石（波长1.06微米）,其次有红宝石（波长0.6943微米）、钕玻璃（波长1.054微米）等。

80年代以来，相继研制成功输出激光波长可在一定范围内连续调谐的激光晶体,如金绿宝石（波长0.701～0.815微米）、掺钛蓝宝石（波长0.66～1.18微米）等,还研制成波长对人眼安全的掺铒（波长1.54微米）。

激励源是光泵，为了提高激励效率，采用聚光器将光泵的光聚集到工作物质上。

常用的光泵有脉冲氙灯、连续氪弧灯等。

80年代后期，发展了用半导体激光器作为激励源以获得高效率、长寿命、小型化的固体激光器。

固体激光器的谐振腔一般由镀有多层介质膜的全反射镜和部分反射镜构成。

固体激光器具有输出能量大、功率高、结构紧凑、牢固等优点,在军事上广泛用于测距、跟踪、制导、雷达等领域。

3.2气体激光器

气体激光器的工作物质是气体或金属蒸气。

常用的有氦氖激光器（波长0.6328微米）、氩离子激光器（波长0.488和0.5145微米）、二氧化碳激光器（波长10.6微米）、准分子激光器（波长主要在紫外和真空紫外区,也可在一定范围内调谐）等。

激励方式主要是电激励。

谐振腔是由反射镜构成。

气体激光器的单色性、方向性好，覆盖的波段范围宽，在军事上主要用于测距、驾束制导、通信、瞄准、相干光雷达和射击模拟训练等领域。

3.3半导体激光器

工作物质是半导体材料，常用的有镓砷/镓铝砷、铟镓砷磷、镓铝砷等。

激励方式主要是P-N结注入法（电激励）。

通常谐振腔由半导体材料的两端面构成。

半导体激光器具有效率高、寿命长、体积小、重量轻、价廉等特点,在军事上主要用于光纤通信、光盘存储、引信、测距和射击模拟训练等领域。

3.4染料激光器

工作物质是有机染料。

激励源为光泵或其他激光器。

谐振腔是多层介质反射镜。

染料激光器的工作波长连续可调（波长分布在0.32～1.3微米），主要用于科研领域。

3.5化学激光器

工作物质是在化学反应中产生的气体,利用化学反应来实现粒子数反转,从而产生受激辐射。

化学激光器可以把化学能直接转换成激光，原则上不需要外加能源作为激励源,因而就整个系统而言,单位体积重量产生的激光能量很高。

如氟化氢（HF）和氟化氘（DF）化学激光器可获得兆瓦级连续波输出。

在军事上用于要求大功率的场合，如激光武器和光电对抗。

3.6自由电子激光器

工作物质是电子束。

其辐射不是基于原子、分子或离子的束缚电子能级间的跃迁，而是将相对论电子束的动能转变为相干辐射。

自由电子激光器的优点有：

①波长可调谐。

理论上激光波长可以从毫米波直至X射线波段内连续调谐，这是迄今任何其他激光器都不能与之相比的。

②输出功率高。

由于工作物质就是电子束本身，不会出现自聚焦、自击穿等非线性破坏现象，而且它几乎没有热影响,因此只要电子束的能量足够大,就可以获得极高的光功率输出。

③能量转换效率高。

理论上可达50%。

④光束质量好。

接近衍射极限。

由于具有上述潜在优点,在同位素分离、激光核聚变、激光武器等方面有重要的应用前景。

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激光切割技术的应用

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。

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、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“LECPLUS激光雕刻切割机”,广泛应用于服装服饰、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

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。

结论

作为20世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。

激光被广泛应用是因为它的特性。

激光几乎是一种单色光波，频率范围极窄，又可在一个狭小的方向内集中高能量，因此利用聚焦后的激光束可以对各种材料进行打孔。

以红宝石激光器为例，它输出脉冲的总能量不够煮熟一个鸡蛋，但却能在3毫米的钢板上鉆出一个小孔。

激光拥有上述特性，并不是因为它有与别不同的光能，而是它的功率密度十分高，这就是激光被广泛应用的原因。

　　激光有以下三大特性：

　　·单色波长

　　·同调性

·平行光束

虽然，激光切割技术由于受CAD应用不平衡、激光切割设备价格过高等因素的制约，激光切割设备在许多企业特别一些中小企业尚未使用，但我相信，随着我国入关以及激光技术和产品不断的成熟，激光加工技术必将为我国的制造与加工业带来前所未有的广阔前景

参考文献

[1]董锋,陆雅娟.激光切割工艺及设备[J].CAD/CAM与制造业信息化,2003,（04）.

[2]江海河.激光加工技术应用的发展及展望[J]光电子技术与信息,2001,（04）.

[3]胡兴军,刘向阳.激光切割的基本原理及新进展[J].苏南科技开发,2004,（11）.

[4]朱秀芹.激光切割技术在生产中的推广应用[J]衡器,2003,（01）.

[5]郝喜海，吴若梅，张继红.激光切割技术在机械制造中的应用及发展[J]机械制造,1999,（08）.

[6]胡兴军,刘向阳.激光切割的基本原理及新进展[J].苏南科技开发,2004,（11）.

[7]陈树明.激光切割技术现状及发展[J].锻压机械,2002,（02）.

其它：

大舟.激光切割成功的应用[J].光机电信息,1995,（05）.

唐元冀.激光切割在工业上应用的现状[J].激光与光电子学进展,2002,（01）.

高允贵.金属的激光切割[J].光电子技术与信息,1996,（03）.

致谢

在此感谢学校、学院给予的各种支持，并特别感谢指导老师梁俭初在课题研究过程中给予的精心指导，老师严谨的治学态度和对工作认真负责的精神使我受益匪浅。

在论文初步完成阶段，老师不厌其烦的指出论文不足之处并对论文的思路进行修正，在此论文完成之际，谨向老师表示最诚挚的感谢和敬意。

在资料收集过程中，学校的图书馆和电子图书馆给予了极大的支持和帮助，在此，一并向图书馆的工作人员表示衷心的感谢。