第4章 激光切割与打孔

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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)。
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。
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
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
提高峰值功率对于切割高反射率、 激光输出方式(连续 / 脉冲)的影响 高导热率的材料具有显著优势。
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
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
提高峰值功率对于切割高反射率、 激光功率和输出方式(连续 / 脉冲) 高导热率的材料具有显著优势。
激光功率增加,切割速度增大; 脉冲激光切割铝合金的最大厚度 如何实现尖角等处的精密切割?
103W/cm2
104W/cm2
105W/cm2
106W/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。
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 (3)气体成分的影响: 的那一面! 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:
温州大学研究生课程 激光先进制造技术
第4章 激光切割与打孔技术
2013年秋·机电工程学院
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
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。
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;
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。
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
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。
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。
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
重铸层 激光切割后 的板材 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
7kw CO2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
Nd: YAG 激光切割技术
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!
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300 mm/min, 推荐200-250 mm/min, 50mm厚度的钢板最大切割速度 200 mm/min, 推荐150-175 mm/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+Pl

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% 脉冲激光的正确、合理使用!
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。
பைடு நூலகம்
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。
第4章
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。 激光切割与打孔技术
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。 采用特殊喷嘴,利用激光
激光切割的基本方式:
(1)激光熔化切割:
束稳定氧气火焰炬,完成 (2)激光氧化切割: 复合切割过程。 (3)激光气化切割 (4)激光复合切割

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。
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。
ŋ: 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
激光功率增加,切割速度增大; o 脉冲激光减少热输入,可以切割40 如何实现尖角等处的精密切割?

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。
脉冲激光的正确、合理使用!
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
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