激光切割和激光打孔

激光切割和激光打孔

激光器可以完成各种不同的切割任务。从在半导体芯片上生成只有几微米的切口，到高质量地切割 30 毫米钢板。在激光打孔时，激光束无接触地在金属、塑料、纸张和石头上生成细微的或者较大的孔眼。

激光切割的原理

聚焦的激光束照射到工件上，将材料加热，使其熔化或者蒸发。一旦激光束将工件完全穿透，就开始了切割工艺：激光束沿着工件轮廓移动，不断地熔化工件材料。在大多数情况下，气流将熔体从切口中向下挤出。切口的宽度不会比聚焦的激光束宽多少。

在激光打孔时，短脉冲激光以很高的功率密度将工件材料熔化和蒸发。由此产生的高压将熔体从孔眼中向下排出。

氧炔切割

激光氧炔切割是一种大量应用于建筑钢材切割的标准工艺。

氧炔切割需要氧气作为切割气体。在最大6 bar 的压力下，将氧气吹入切口。被加热的金属在切口中与氧气发生反应。氧化反应释放出大量能量，最高可达激光能量的五倍，帮助激光束实现切割。氧炔切割可以加快切割速度，并且可以加工比较厚的金属板。例如可以切割厚度超过30 mm 的建筑用钢板。

激光熔融切割

激光熔化切割可以切割所有可熔化的材料，例如金属。

工艺决定了加工结果：采用等离子体支持的熔融切割速度快、表面粗糙（后），采用传统的熔融切割速度慢、表面光滑（前）。

在激光熔化切割时，通常使用氮气或者氩气作为切割气体。在 2 到 20 bar 压力的推动下，切割气体穿过切口。氩气和氮气都是惰性气体。这意味着，这两种切割气体不与切口中的熔化金属发生反应，而是只向下排出。同时，切割气体将切边与空气隔离。

优点是，切边不被氧化，不必再作后续加工。但是，在切割时只有激光束的能量起作用。

在加工金属薄板时，切割速度和在气割时一样快。对于加工比较厚的金属板以及在穿孔时，加工速度就比气割慢了一些。某些切割设备可以用氧气进行穿孔，然后用氮气进行切割。

光气化切割

高质量的切割边缘，适于精细的切割任务。

激光束使工件材料蒸发和燃烧。蒸汽压力将残渣从切口中排出。

在采用这种工艺时，激光将工件材料蒸发，尽可能不产生熔体。金属蒸汽在切口中产生高压，将熔体向上方和下方排出。

切割气体，即氮气、氩气或者氦气将切割表面与周围环境隔离开来，确保切割边缘不被氧化。由于这个原因，气压只需1 至 3 bar 就足够了。

将金属材料蒸发所需的能量比将其熔化要高一些。因此，升华切割需要很高的激光功率，切割速度比其它切割工艺要慢一些。能够产生高质量的切割边缘。

激光切割的药物支架

金属板加工业几乎不会采用这种工艺。只有在切割任务需要特别精细作业的时候，这种工艺才有吸引力。例如在医疗器械领域，用于切割药物支架。

典型的加工对象包括

?只需很少能量就会蒸发的

塑料薄膜和纺织品，

?无法熔化的材料，

例如木材、纸板、泡沫塑料。

打孔

在激光打孔时，激光束在不同材料中无接触地产生尺寸很小或者较大的孔眼。

激光打孔的工作原理：激光将工件材料熔化和蒸发。蒸汽压力将熔体从孔眼中排出。

在激光打孔时，功率密度很高的短脉冲激光在很短时间内向工件传导了巨大能量。这样就使工件材料被熔化和蒸发。脉冲能量越高，被熔化和蒸发的材料就越多。在蒸发过程中，孔眼中的材料体积急剧膨胀，产生了很大的压力。这个蒸汽压力将熔化的工件材料从孔眼中推出。

用皮秒激光器的超短脉冲激光进行加工尤其特殊。在这个过程中，工件材料未经熔化就直接从固态变为气态，即发生了升华现象，工件不会被加热。

随着时间的推移，人们根据这个基本原理研制出了几种不同的激光打孔工艺：

单脉冲打孔（左）和冲击打孔（右）

单脉冲打孔和冲击打孔

在最简单的情况下，脉冲能量相对比较高的单脉冲激光束生成孔眼。通过这种方式，可以非常快地生成很多孔眼。在冲击打孔时，由脉冲能量和脉冲周期很小的多脉冲激光束生成孔眼。这个打孔工艺所产生的孔眼比单脉冲打孔深度更大、加工更精确。此外，冲击打孔工艺可以使孔眼直径比较小。

旋切钻孔

旋切钻孔

在旋切钻孔时，同样由多脉冲激光束生成孔眼。首先，激光器利用冲击打孔工艺打出一个初始孔。然后激光器在工件上方几个越来越大的环形轨道中移动，将初始孔扩大。在这个过程中，绝大部分的工件材料熔体被向下从孔眼中推出。

螺旋打孔

螺旋打孔

与钻孔工艺不同，螺旋打孔时不生成起始孔。在开始发射激光脉冲时，激光器在工件上方的一个环形轨道中移动。使很多材料向上溢出。激光器的运动轨迹就如同一个螺旋楼梯，逐渐向下伸。在这个过程中可以一直引导焦点的位置，使其始终位于孔眼的底部。如果激光已经穿透了工件材料，则激光器还要再转几圈。目的是将孔眼的底侧扩大，使边缘更加平滑。利用螺旋打孔，可以生成尺寸和深度大、加工质量高的孔眼。