激光切割技术.docx
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激光切割技术
激光切割技术
摘要
激光切割以其切割范围广、切削速度高、切缝窄、切割质量好，热影响区小，加工柔性大等优点在现代工业中得到及其广泛的应用，激光切割技术成为激光加工技术中最为成熟的技术之一。
关键词：
激光切割
Laserincisiontechnology
Abstract
Laserincisionabroadapplyinmodelindustryasitsboundincision、highincisionrate、littleincisiongap、highincisionquality、littleheatinfluenceregion,highflexibleinmachiningetc.laserincisiontechnologyisoneofthemostmaturetechnologyoflasertechnology.
Keywords：
laserincise
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目录
摘要
Abstract
第1章绪论6
1.1激光切割技术概述6
1.1.1激光切割技术国内外现状6
1.1.2激光切割的特点8
1.2激光切割发展趋势9
第2章激光切割机理10
2.1激光切割机理10
2.1.1激光切割时切口的形成10
2.1.2激光切割主要方式12
2.2激光加工工艺13
第3章激光切割的质量评价14
3.1激光切割零件的尺寸精度14
3.2激光切割的切口质量14
第4章激光切割技术体系15
第5章影响激光切割质量的因素16
5.1激光功率对切割能力和质量的影响16
5.1.1激光器功率的数学模型16
5.1.2模型误差及其验证17
5.2切削速度的影响18
5.2.1切削速度的数学模型19
5.2.2模型误差及其验证20
5.3激光束的质量21
5.3.1激光束质量因子
的概念21
5.3.2激光束宽D的定义和束腰宽度激光束宽D021
5.4焦点位置的影响23
5.5辅助气体和喷嘴的影响24
第6章常用工程材料的激光切割26
6.1金属材料的激光切割26
6.2非金属材料的激光切割26
6.3复合材料的激光切割27
第7章激光切割安全28
7.1激光对人体的危害28
7.2激光切割的安全防护28
结论29
致谢30
参考文献31
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第1章绪论
1.1激光切割技术概述
激光束聚焦成很小的光点其最小直径可小于0.1mm），使焦点处达到很高的功率密度可超过106W／cm2）。
这时光束输入（由光能转换）的热量远远超过被材料反射、传导或扩散部分，材料很快加热至汽化湿度，蒸发形成孔洞。
随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄（如0.1mm左右）的切缝。
切边热影响很小，基本没有工件变形。
切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助气体。
钢切割时得用氧作为辅助气体与溶融金属产生放热化学反应氧化材料，同时帮助吹走割缝内的熔渣。
切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气，棉、纸等易燃材料切割使用惰性气体。
进入喷嘴的辅助气体还能冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。
图1激光切割原理
1.1.1激光切割技术国内外现状
从工业领域来看，金属和非金属的激光切割是激光加工最主要的应用领域，最具代表性的是应用于汽车工业中，车身覆盖件三维轮廓的激光切割有大量的应用，据估计60％的汽车零件通过激光加工来提高零件质量。
美国、欧洲、日本等工业发达国家的激光切割已经形成一个新兴的高技术产业，工业激光器和激光切割机的销售逐年增加，在全球生产、销售用于激光加工领域中有超过40％的激光器是做切割用途。
日本是最早把激光切割加工系统引入汽车生成中的国家，主要应用于大型覆盖件的下料切边，挡风板的激光切割等。
美国的福特和通用公司以及日本的丰田、日产等汽车公司，在汽车生产线上普遍采用激光切割技术。
日本在激光加工方面的研究走在世界的前列，已经在车门制造过程中将钢板切割，焊接和压模成形一体化，并且取得了很大的进展。
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是一种卓越的汽车轻量化复合材料，其芯部为铝金属泡沫材料，外层是两个很薄的包覆薄板材（件），重量轻，刚性好，且强度高，可任意成形。
AFS应在形成泡沫和非泡沫状态下被激光切割（加工）
自上世纪七十年代初，激光切割技术投入生产应用以来，发展速度非常快，技术日趋完善。
目前工业发达国家对这一技术的运用较为广泛。
促使激光切割技术得到更多使用的主要原因是：
激光切割具有热变形小、切割精度高、易于实现无人自动切割。
通过使用改进型的大功率激光源，使其切割速度接近了等离子切割的水平，从切割表面质量来看，激光切割优于等离子切割。
目前，国外已研制出适用于坡口切割的激光处理器和相关的控制软件。
解决了激光坡口切割所需大量数据处理的问题，使的在切割过程中的角度、光距以及运行速度得到了有效的控制。
这样使激光切割更具实用性。
其中德国ESAB和TRUMPF公司已向市场推出多功能三维激光切割机。
在激光切割工艺研究方面，主要集中在对于激光模式、激光输出功率、焦点位置以及喷嘴形状等问题。
早在20世纪70～80年代，美国、德国以及日本等国家已经在大量的激光切割试验的基础上，总结激光切割工艺，建立工艺数据库，并着手研究高性能的激光切割系统，90年代出国外推出一些高性能的激光切割系统就具有加工参数自动设定的功能。
我国激光加工技术起步比较晚，基础工业相对落后，工业生产自动化程度不是很高，市场竞争意识薄弱。
但是由于国家高度重视仿真高科技产业，经过长久的不懈努力取得可喜的成果。
尤其在激光切割方面，成果更加显著。
主要分为三个阶段：
第一阶段：
早在20世纪70年代中期，我国就开始激光切割试验，到70年代末，中科院长春光机所就为成都飞机制造厂安装了中功率激光器，用于切割飞机零件。
1976年，由中科院长春光机所、长春第一汽车制造厂等单位合作的CO2激光机成功的应用于“红旗”牌汽车的覆盖件的切割上。
第二阶段：
从20世纪80年代中期开始，在上海、株洲和天津等地先后全套引进高功率激光切割系统，较广泛的把激光切割新工艺引入了我国的工业制造领域。
第三阶段：
20时间90年代后是激光切割发展的第三阶段，开始发展中高功率的，具有适合切割光束模式的快流CO2激光系统为工业界服务。
我国建立了三个国家级的激光加工中心。
它们分别是：
（1）国家科委组建的“国家固体激光工程技术研究中心”，依托于电子工业部第十一研究所；
（2）由国家计委组建的“激光加工国家工程研究中心”，依托于华中科技大学激光技术与研究所；
（3）由国家经贸委组建的“国家产学研激光加工技术中心”，依托于北京市机电研究所和北京工业大学
1.1.2激光切割的特点
（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。
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。
（2）切割速度快。
例如采用2KW激光功率,8mm厚的碳钢切割速度为1.6m/min；2mm厚的不锈钢切割速度为3.5m/min,热影响区小,变形极小。
（3）清洁、安全、无污染。
大大改善了操作人员的工作环境。
当然就精度和切口表面粗糙度而言,CO2激光切割不可能超过电加工；就切割厚度而言难以达到火焰和等离子切割的水平。
（4）加工灵活性好，既能够切割平面共建，又能切割立体工件。
可以从任意一点开始，切口可向任何方向进行。
（5）使用范围广，能切割易碎的脆性材料，以及极软、极硬的材料；切割淬火钢时，可使其硬度不变。
（6）激光切割的深宽比高，对于非金属可以达到100：
1以上，对于金属也可以达到20：
1左右，还可以切割不穿透的盲槽。
（7）切口平行度好，表面粗造度小，切口有菱角，对做冲模有利。
（8）无工件磨损，易于数控或计算机控制，并可多工位操作。
1.2激光切割发展趋势
激光切割是激光加工行业中最量要的一项应用技术,由于具有诸多特点,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。
近年来，激光切割技术发展很快，国际上每年都以20％～30％的速度增长。
我国自1985年以来，更以每年25％以上的速度增长。
由于我国激光工业基础较差，激光加工技术的应用尚不普遍，激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距，相信随着激光加工技术的不断进步，这些障碍和不足会得到解决。
激光切割技术必将成为21世纪不可缺少的重要的钣金加工手段。
激光切割加工广阔的应用市场，加上现代科学技术的迅猛发展，使得国内外科技工作者对激光切割加工技术进行不断探入的研究，推动着激光切割技术不断创新，激光切割技术的发展方向如下：
（1）伴随着激光器向大功率发展以及采用高性能的CNC及伺服系统,使用高功率的激光切割可获得高的加工速度,同时减小热影响区和热畸变;所能够切割的材料板厚也格进一步地提高，高功率激光可以通过使用Q开关或加载脉冲波，从而使低功率激光器产生出高功率激光。
（2）根据激光切割工艺参数的影响情况，改进加工工艺，如：
增加辅助气体对切割熔渣的吹力；加入造渣剂提高熔体的流动性；增加辅助能源，并改善能量之间的耦合；以及改用吸收率更高的激光切割。
（3）激光切割将向高度自动化、智能化方向发展。
将CAD/CAPP/CAM以及人工智能运用于激光切割，研制出高度自动化的多功能激光加工系统。
（4）根据加工速度自适应地控制激光功率和激光模式或建立工艺数据库和专家自适应控制系统使得激光切割整机性能普遍提高。
以数据库为系统核心，面向通用化CAPP开发工具，对激光切割工艺设计所涉及的各类数据进行分析，建立相适应的数据库结构。
（5）向多功能的激光加工中心发展，将激光切割、激光焊接以及热处理等各道工序后的质量反馈集成在一起，充分发挥激光加工的整体优势。
（6）随若Internet和WEB技术的发展，建立基于WEB的网络数据库，采用模糊推理机制和人工神经网络来自动确定激光切割工艺参数，并且能够远程异地访问和控别激光切割过程成了不可避免的趋势。
（7）三维高精度大型数控激光切割机及其切割工艺技术，为了满足汽车和航空等工业的立体工件切割的需要，三维激光切割机正向高效率、高精度、多功能和高适应性方向民展，激光切割机器人的应用范围将会愈来愈大。
激光切割正向着激光切割单元FMC、无人化和自动化方向发展。
第2章激光切割机理
2.1激光切割机理
激光切割是激光加工技术在工业上广泛应用的一个方面，因此其加工过程既符合激光与材料的作用原理，又具有自己的特点。
2.1.1激光切割时切口的形成
激光切割是利用经过焦距的高功率密度激光束照射工件，使被照射处的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，从而实现割开工件的一种热切割方法。
其切割过程如图所示，切割过程发生在切口的终端处一个垂直的表面，称之为烧蚀前沿。
激光和气流在该处进入切口，激光能量一部分为烧蚀前沿所吸收，一部分通过切口或经烧蚀前沿向切口的空间反射。
用O2做辅助气体激光切割碳钢时，借助高速摄像机观察切割工程表明，当切口前沿的上表面受激光照射达到铁－氧反应温度时，氧化反应即从其中的一点开始，并迅速向周围扩展，形成一个类似球瓣的反应区，如图中标有碎点的部分，在球瓣的下端处存在一缩颈处。
在此所颈部下，氧化反应以速度Vn继续往下进行。
随着熔渣为辅助气体排除和激光束向前行进，就扩展成图2-3（a）右图所示形状。
上述过程不断重复，就形成切口并将工件割开。
图2-3（b）、（c）为不同切削速度时切口前沿反应区的一些同反应有关参数的测定值。
在正常的切割情况下，切口宽度取决于聚焦以后的光斑直径。
而工件上表面处的切口宽度相当于功率密度为
以上的光束分布的尺寸。
可见，用聚焦后能量高度集中的激光束可以获得较窄的切口宽度。
研究表明用O2做辅助气体，用CO2激光对碳钢进行切割时，切口前沿的温度
和激光束之切口前沿的距离
同切割速度有密切关系，图2-4为不同切割速度时切口前沿在离上表面0.4mm处测得的
值以及切口前沿与光线轴线的距离
。
由图可知，切割速度低于2m/min时，切口前沿的温度是
。
当切割速度大于2m/min时，切割前沿的温度则随着切割速度的加快而提高，至切割速度为10m/min时达到
，同时
减小。
图2激光切割区示意图
（a）（b）
（c）（d）
图3（a）（b）（c）（d）为激光切割碳钢时的切口形成机理示意图
图4切口前沿在离上表面0.4mm处温度
与切割速度v之间的关系
2.1.2激光切割主要方式
（1）汽化切割。
在高功率密度激光束的加热下，材料表面温度升至沸点温度的速度是如此之快，足以避免热传导造成的熔化，于是部分材料汽化成蒸汽消失，部分材料作为喷出物从切缝底部被辅助气体流吹走。
（2）熔化切割。
当入射的激光束功率密度超过某一值后，光束照射点处材料内部开妈蒸发，形成孔洞。
一旦这种小孔形成，它将作为黑体吸收所有的入射光束能量。
小孔被熔化金属壁所包围，然后，与光束同轴的辅助气流把孔洞周围的熔融材料带走。
随着工件移动，小孔按切割方向同步横移形成一条切缝。
激光束继续沿着这条缝的前沿照射，熔化材料持续或脉动地从缝内被吹走。
（3）氧化熔化切割。
熔化切割一般使用惰性气体，如果代之以氧气或其它活性气体，材料在激光束的照射下被点燃，与氧气发生激烈的化学反应而产生另一热源，称为氧化熔化切割。
（4）控制断裂切割。
对于容易受热破坏的脆性材料，通过激光束加热进行高速、可控的切断，称为控制断裂切割。
这种切割过程主要内容是：
激光束加热脆性材料小块区域，引起该区域大的热梯度和严重的机械变形，导致材料形成裂缝。
只要保持均衡的加热梯度，激光束可引导裂缝在任何需要的方向产生。
2.2激光加工工艺
激光加工工艺。
包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。
激光焊接：
汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。
目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器。
激光切割：
汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、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、航天工业使用的钛合金等等。
使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。
激光打标：
在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。
激光打孔：
激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。
激光热处理：
在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。
我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。
目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器为主。
激光快速成型：
将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。
多用于模具和模型行业。
目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。
激光涂敷：
在航空航天、模具及机电行业应用广泛。
目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器为主。
第3章激光切割的质量评价
3.1激光切割零件的尺寸精度
在一般材料的激光切割过程中，由于切割速度较快，零件产生的热变形很小，切割零件的尺寸精度主要取决与切割设备的数控工作台的机械精度和控制精度。
在奶重激光切割加工中，采用高精度的切割装置与控制技术，尺寸精度可达um量级。
在连续激光切割时，零件的尺寸精度通常在±0.2mm，个别达到±0.1mm。
3.2激光切割的切口质量
激光切割的切口质量主要体现在切口宽度、切割面的倾斜角以及切割面的粗造度等。
图5激光的切口质量要素
第4章激光切割技术体系
激光切割系统主要由机床主机、激光器、控制系统三大主要部分组成。
控制系统是整个系统的控制中枢，负责协调整个系统的正常工作，主要完成加工轨迹控制、焦点从位置控制和机、光、电一体的协调控制。
数控激光切割机的研制属于机电一体化范畴，它的研制使生产系统具有友好的人机界而，方便而易学的编程方式，以及精确的切割轨迹控制功能，适合工业现场的使用，极大地提高了生产率。
激光切割技术由激光切割机理，激光器，聚焦透镜，机械控制系统，光电系统等构成。
激光切割是利用经过焦距的高功率密度激光束照射工件，使被照射处的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，从而实现割开工件的一种热切割方法。
激光器包括三部分：
工作物质，泵浦源和光学谐振腔。
工作物质是产生激光的物质基础，是激光器的核心部分，是用来实现粒子数反转仒产生受激辐射的物质体系；泵浦源是为实现粒子数反转提供能量的装置；光学谐振腔是产生激光的外在条件，是激光器重要组成部分。
机械控制系统的精度直接影响到加工精度，聚焦透镜是重要的光学元件，光电系统是激光切割系统的重要组成部分。
第5章影响激光切割质量的因素
5.1激光功率对切割能力和质量的影响
图6影响激光质量的因素关系图
5.1.1激光器功率的数学模型
激光器功率的数学模型石英晶体加工过程中，如何选择激光器，确定激光器的功率是非常重要的，笔者通过试验及其对试验结果的分析发现，切割速度和激光器所能切割材料的厚度直接与激光器功率有关，而激光器功率直接影响切缝宽度。
我们采用回归分析法，建立了切割速度v（mm/s），材料厚度δ（mm），切缝宽度s（mm）与激光器功率P的函数关系。
设切割参数v，δ和s与激光器功率P满足如下关系：
P＝Ava1δa2sa
（1）
式中，A为与材料性质有关的系数，a1，a2，a3为回归系数。
对
（1）式两端取自然对数可得：
lnP＝lnA＋a1lnv＋a2lnδ＋a3lns
（2）
运用试验获得的大量试验数据，根据
（2）式进行线性回归分析，并求得具体方程如下：
P＝93．028×v0．560×δ0．858×s0．940（3）
表1给出了衡量回归效果的相关指标，其复相关系数为0.9771，可以看出，回归效果很好。
Table1Resultsofregression
squaresum of
deflection
（q）
averagestandard
deflection
（s）
coefficientof
complex relation
（r）
coefficientof
deflectionrelation
v（0） v
（1） v
（2）
squaresumof
regression
（u）
0.0567
0.0753
0.9771
0.9985 0.9446 0.9681
1.1937
5.1.2模型误差及其验证
模型误差及其验证。
为检验上述模型的正确性，笔者用另外两组试验数据对模型进行验证。
表2给出了第1组试验数据的试验值、计算值及其误差值。
图2给出了模型误差分布，由图2可以看出有80%的点误差在±10%以内；表3给出了第2组试验数据验证该模型的正确性，第2组试验的试件均已切开，理论计算值与试验结果相符。
说明该模型能够满足实际生产的要求。
另外，从表3还可以看出：
部分所用试件比较薄，试验时切割功率选择远大于实际需要的功率，结果表中两个功率值的存在很大偏差。
Table2Analyzingofmodelerrors
test
No.
velocityof
cutting
v（mm/s）
depthof
cutting
δ（mm）
widthof
cutting
d（mm）
power（W）
valueof
tests
valueof
calculating
errors
（%）
1
10.0
0.51
1.09
200.0
204.8
2.42
2
10.0
0.85
1.15
300.0
336.6
12.20
3
10.0
1.01
1.20
400.0
404.4
1.10
4
15.0
0.74
1.37
500.0
442.4
－11.53
5
12.0
1.01
1.47
500.0
543.4
8.68
6
15.0
0.95
1.52
600.0
600.9
0.16
7
13.0
1.09
1.60
600.0
652.8
8.80
8
13.0
0.96
1.52
600.0
561.6
－6.41
9
8.0
0.90
1.06
300.0
286.9
－4.38
10
8.0
1.23
1.31
500.0
459.0
－8.20
Table3 Verificationofthesecondgroupoftests
test
No.
velocityof
cutting
v（mm/s）
depthof
cutting
δ（mm）
widthof
cutting
d（mm）
power（W）
results
valueof
tests
valueof
calculating
resultsof
theory
resultsof
tests
1
10.0
1.18
1.80
600.0
676.5
notcut
cut
2
8.0
1.18
1.19
500.0
404.7
cut
cut
3
8.0
1.22
1.28
500.0
446.0
cut
cut
4
4.0
1.18
1.18
500.0
272.3
cut
cut
5
8.0
0.44
0.50
400.0
76.8
cut
cut
6
10.0
0.76
0.86
400.0
231.7
cut
cut
7
4.0
1.18
1.20
300.0
276.6
cut
cut
8
6.0
0.46
0.50
300.0
67.9
cut
cut
9
8.0
0.76
0.80
300.0
191.0
cut
cut
10
4.0
0.74
0.75
200.0
119.2
cut
cut
Fig.2Erroranalysisofselectingthelaserpower
5.2切削速度的影响
图7激光功率与切割速度的关系
图8切割速度对切口粗造度的影响
5.2.1切削速度的数学模型
基于切割速度的数学模型在某些条件下，激光器功率不能改变，此时，应根据工件的厚度确定激光加工的合适切割速度。
采用类似2.1节的回归分析法，建立了如下函数关系，即
v＝APa1δa2sa3（4）
具体回归结果如（5）式所示：
v＝0．562×P0．874×δ0．582×d0
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