激光切割技术的研究与应用

激光切割技术的研究与应用

姓名：张国涛学号：08010705 专业班级：机电工程学院08级基地2班

摘要：该技术采用激光束照射到钢板表面时释放的能量来使不锈钢熔化并蒸发。激光源一般用

二氧化碳激光束，工作功率为500～2500瓦。该功率的水平比许多家用电暖气所需要的功率

还低，但是，通过透镜和反射镜，激光束聚集在很小的区域。能量的高度集中能够进行迅速局

部加热，使不锈钢蒸发。此外，由于能量非常集中，所以，仅有少量热传到钢材的其它部分，

所造成的变形很小或没有变形。利用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料

不必再作进一步的处理。

而且激光切割技术的研究工作已取得许多重要成果，诸如在加工有机玻璃、激光切割中的

焦点位置检测方法等；此外，激光切割在现代生活中的应用也很广泛。

关键词：激光切割；研究；应用；方法；检测；

下面就加工有机玻璃的激光切割技术的研究及激光切割中的焦点位置检测方法的研究和激光切

割技术的应用作简要介绍。

一、加工有机玻璃的激光机切割技术研究

加工有机玻璃的激光机切割速度快、精度高，定位准确。可生产工艺礼品、面板镜片机箱、模型玩具、广告灯箱招牌展示用品、包装盒等。

激光应用于切割和焊接薄金属板已有30年了，通过聚焦光束局部地加热材料。这种方法灵活性好，经济效益高，在很多工业应用领域大放异彩。其实玻璃有比金属更低的热传导，所以激光应该可以顺理成章地应用于玻璃的切割。事实上，一些公司早在70年代即开始发展成套系统，当时使用的是千瓦输出功率水平的CO2激光器。但是，因为功率水平高，对玻璃造成不容忽视的热影响，以致融化局部材料，所以当时的激光切割技术难以保证整齐、平滑的切割边缘，在许多应用场合中，仍然需要打磨切割边缘。同时，当时CO2激光器的价格非常昂贵，令人生畏。

近来，一些工程人员和学者发现了应用较低功率的激光器使玻璃分离，同时不对玻璃造成融化等热影响的玻璃切割方法。这种方法说来复杂，涉及细节技术很多，其基本原理是利用激光引致的应力使玻璃"分离"。期间，得益于封离型CO2激光器技术的发展和成熟，激光切割玻璃技术更显得经济、实用。

在我们的研究中，使用平均输出功率为150W的CO2激光器(Coherent公司的K-150型)，通过聚焦光路在玻璃表面形成椭圆型的聚焦点，椭圆的聚焦焦点保证了激光能量在切割线两侧的均匀的和最优化的分布。玻璃强烈地吸收10.6微米的激光，所以几乎所有的激光能量都被玻璃表面15微米吸收层所吸收，相对玻璃表面移动激光光点形成所需的切割线。选择合适的移动速度，保证既有足够的激光热量在玻璃上形成局部的应力纹样分布(设定的切割线)，同时又不会将玻璃融化。

激光切割中另一个关键部件是淬火气(水)嘴，随着激光光点的移动，淬火气(水)嘴将冷空气(水)吹到玻璃表面，对受热区域进行快速淬火，玻璃将沿着应力最大的方向产生断裂，从而将玻璃沿着设定的方向分离。粤铭激光雕刻机切割机打标机

需要说明的是，为了引发玻璃产生断裂，需要首先用机械法在切割线的起点划出微小的起始裂痕。

与传统的机械切割法相比，这种新的方法有几个重要的优点。首先，这是一步即可完成的、干燥的加工过程。边缘光滑整齐，不需要后续的清洁和打磨。并且，激光引致的分离过程产生高强度、自然回火的边缘，没有微小裂痕。使用这种方法，避免了不可预料的裂痕和残破，降低了次品率，提高了产量。

①边缘强度

因为边缘质量优秀，以及加热/淬火过程中的自然回火效应，激光切割的边缘强度非常高。Jena的

Otto-Schott-Insititut研究所根据DIN5230011参数做了独立的测试，相关数据已公开发布。采用这种新方法，与机械法加工后又打磨的样品相比，边缘强度提高了30%左右。

②厚度和切割速度

限制切割速度的有3个因素：玻璃的厚度、材料的热膨胀系数、以及激光器的输出功率。在这个测试中，我们使用150W输出功率的CO2激光器切割a=7.2 x 10-6、厚度为1.1mm的玻璃，直线切割，速度为500mm/秒。作为比较，硬质金属轮切割同样厚度同种玻璃的速度可达1500mm/秒。但是，即使是在注重速度的应用中，这种差异也将被激光切割所带来的经济性和质量优势所弥补。同时，我们都相信，进一步的加工过程优化以及采用更高输出功率的激光器进行切割都会容易地将加工速度提高2至3倍。

曲线切割

③应用

长远来说，激光引致的分离技术将在许多玻璃的切割应用中取代机械法。近期，激光切割已在下述的三个应用领域中显示强大的技术优势，它们是：CRTS，平板显示，以及汽车的风挡玻璃等的切割等。

有些应用需要对玻璃进行特殊的后续处理，比如，某些安全玻璃元件须经温度硬化处理，以及多数带硅镀层的平板显示器元件必须经过温度退火等。激光引致分离法也配合这些特殊的后处理，我们用激光法切割了100个4mm厚的玻璃片，在特殊热处理过程中，没有一片被破坏。

二、激光切割中的焦点位置检测方法研究

激光切割加工具有切割精度高、切割速度快、热效应低、无污染、无噪音等优点，在汽车、船舶、

航空航天和电子工业中都得到了广泛的应用。而激光切割加工质量与激光焦点与工件之间的相对位置有

着密切的关系，保证激光焦点和切割对象之间的合理的相对位置是保证激光切割加工质量的关键之一。

激光焦点和被加工对象之间的相对位置可以通过电感位移传感器和电容传感器来检测，在使用中各

有优缺点。电感传感器的响应频率较低，不太适用于高速加工和像!维加工这样需要非接触检测的场合；

电容传感器，具有响应速度快，检测精度高等优点，但在使用过程中存在非线性和易受激光切割加工过

程中产生的等离子云和喷渣的干扰的影响。

下面将系统讨论激光切割加工中激光焦点位置误差的产生途径和自动消除误差的控制系统的组成。

在此基础上分别讨论了两种传感器检测系统组成以及实际使用中存在的不足和克服的方法。

1 激光切割过程中焦点位置误差的产生

在激光切割过程中，产生焦点和被加工对象表面之间相对位置发生变化的因素很多，被加工工件表

面凸凹不平、工件装夹方式、机床的几何误差以及机床在负载力下的变形、工件在加工过程中的热变形

等都会造成激光焦点位置和理想给定位置（编程位置）发生偏差。有些误差（如机床的几何误差）具有

规律性，可以通过定量补偿方法进行补偿，但有些误差为随机误差，只能通过在线检测和控制来消除，

这些误差是：

1.1 工件几何误差

激光切割的对象为板材或覆盖件型零件，由于各种?因的影响，加工对象表面具有起伏不平，且在

切割过程中的热效应的影响也会产生薄板零件的表面变形，对于1维激光加工，覆盖件在压制成型过程

中也会产生表面的不平，所有这些，都会产生激光焦点与被加工对象表面的位置与理想位置发生随机变

化。

1.2 工件装夹装置产生的误差

激光切割加工的工件是放在针状工作台上，由于加工误差、长时间与工件之间的磨损和激光的烧伤，

针床会出现凸凹不平，这种不平也会产生薄钢板和激光焦点之间的位置的随机误差。

1.3 编程产生的误差

在1维激光切割加工过程中，复杂曲面上的加工轨迹是通过直线、圆弧等拟合的，这些拟合曲线和

实际曲线存在一定误差，这些误差使得实际焦点和加工对象表面的相对位置和理想编程位置产生一定误