激光切割

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减小光斑直径的途径
dmin 2.44 f / D2 p l 1
• 1、选用短波长的激光源； • 2、选用短焦距的镜头； • 3、对光束进行扩束，准直；
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等光程设计
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M2因子（激光束质量因子或衍射极 限因子 ）
gauss 0 /
z 2 2 ( z ) 02 1 2 0
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2 M 因子、Q因子
• 定义光束发散角的比值M为：
方便测量 和计算
P89 act 面给出了 act M M2的计算方式
gauss 0
act 2 M Q r
M2≥1，M2越小，光束质量越好
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2 M 因子、K因子
• K = 1/ M2 K≤1，K越大，光束质量越好。
1.05dmin
f / Z f D / 1.05d min D / 1.05(2.44 f / D) Z f 2.56 f /D
2 2
聚焦深度与激光波长、透镜焦距和透 镜表面的光束直径有关！
对于多模激 光束，将 M2λ当成λ
Z f 2.56 f M / D
2 2Βιβλιοθήκη 259热透镜效应
CAD图形文件可以开发软件转换为G 代码，实现复杂图形切割 （DXF，gbr，PCB等）
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示教编程
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离线编程
（CAD设计仿真一体化）
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激光切割系统的评价标准 激光切割过程
中的空程率？
（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：米/分钟 （2）切割质量：割缝宽度与平行度，割缝 精度，切割工艺稳定性，切割尖角等； （3）切割图形、工艺数据库； （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。
激光切割技术
主要内容
什么是激光切割？激光切割有哪些特点？ 激光切割如何分类？机理如何？ 激光切割系统如何构成？ 影响激光切割的工艺参数有哪些？变化规律 如何？ 5. 目前激光切割的水平如何？发展趋势如何？ 1. 2. 3. 4. 参考书： 《Laser Material Processing》William M.Steen 《高功率激光加工与应用》闫毓禾
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不同模式下的激光能量分布
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最小光斑直径
• 定义：激光强度的1/e2为激光束的半径 • 激光的模式直接影响聚焦性能，基模TEM00 在衍射极限下，在透镜上直径为D的光束， 最小焦斑直径： dmin=2.44 fλ/D (推导) 对于多模激光束：
f/D能够小于1吗？
dmin 2.44 f / D2 p l 1
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切割头
• 气帘（气刀）——大功率、镜片水冷 • 镀增透膜的玻璃保护片——中小功率
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数控运动方式
• 飞行光路切割系统:反射镜运动，工件不动
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• 工件运动，激光器不动
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• 机械手
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工作台
• • • • 步进电机——失步、精度最差 饲服电机——精度高，有反馈，可闭环 直线电机——加速性能优越，适合高速 扫描振镜
连续与脉冲切割
• 连续激光切割多为中大功率CO2气体激光切 割，由于固体半导体和光纤激光技术的发 展，目前也能用于连续切割； • 脉冲切割有两种方式：一种是平均功率不 高，但峰值功率很高；另一种是通过斩波 方式得到准连续激光，降低热积累。
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金属与非金属切割
• 几乎所有的金属材料都可以进行切割； • 非金属材料的切割，可以用“激光数”来表示其 切割的难易程度；定义如下： 在材料表面垂直放置一根直径1.13mm
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，聚焦系统，焦距，聚焦深度； 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。
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激光束光束特性
高斯模
低阶模
多模
快轴流激光器一般为低阶模，板条激光器为 高斯模（基模）。
T N Int 3 (G 1) 100
（即端面积1mm2 ）的针，针上放置 5kg 3 重量，放置炉中，炉温按照 v 50 ℃/h的速 率升温，能将针插入1mm时的炉温。
将945℃的瓷棒 • N ——激光数 放在材料上测量 其效果 • Tv——刺入温度（维卡温度） • G——抗灼热能力（耐高温值）正比于电阻率
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• N>=100 ——————很容易切割 • 20<N<100 ——————比较容易 • N<=4 ——————很难被切割
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激光切割系统组成
光传输 系统 激光源 激光切 割头
激光 切割 系统 编程系统
数控系 统
工作气体
高度调 节系统
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激光源
固体激 光器
气体激 光器
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光传输系统
• 镜组传输和光纤传输
由于：
ISO标准
M2λ当成λ就可以把多 模激光束当成高斯光 2 DL r act 束来对待！！！ d min 2f
2 2
4M f 4 f (M ) d min DL DL
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激光焦点的聚焦深度
定义：聚焦光斑直径变化±5％沿光轴 的距离——聚焦深度
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D f Zf
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扫描振镜和多棱镜
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扫描振镜
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高度（ Z轴）调节
材料表面的不平整将导致焦点位置和工作气体压力的变化——影响切割质量 电容式、电感式、光学式、声学式、接触式等
适用于切割导电 材料，如金属、 石墨、单晶硅等
适用于切割不导 电材料，如塑料、 木材等
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编程系统——机器和人的接口
• G代码（手动编程-2维）
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什么是激光切割？
理想的激光切割
现实的激光切割
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• 自1960年产生激光器以来，就进行了激光 切割。是目前发展最成熟，应用最广的激 光技术。 • 放大镜聚焦纸片——光切割。 • 切割是一种材料的分离和去除过程。激光 切割——利用高能量密度的激光束将工件 熔化或汽化，或同时用辅助气体将残留物 吹除，而达到材料去除和分离的目的。
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激光汽化切割（Vaporisation Cutting）
• 割缝材料在激光照射下瞬时达到沸腾温度， 并在表面形成匙孔（Keyhole），产生大量 的蒸汽，喷出的蒸汽带走大量的熔融材料 （可达60％），从而形成切口。一般为低 燃点的材料，如木材、皮革、塑料以及陶 瓷等； • 例子(laser_cutting_door_cover)
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激光熔化切割（Fusion Cutting）
• 高功率激光照射材料，使割缝材 料熔融，依靠辅助高压气体吹掉 熔融材料，形成割缝； • 例子(Jenpotik_laser_cutting)
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熔化切割须注意的问题
• 同样激光功率必须大到足以使材料表面产生匙孔， 是汽化切割的1/10； • 其熔化物的清除不是靠汽化过程，而是另外使用 辅助气流吹除，辅助气体通常用惰性气体或不活 泼气体； • 这种切割需要设计喷嘴，喷嘴通常与激光束同心， 若设计不合理，很容易挂渣； • 不存在蒸汽对激光束的反射与吸收问题； • 主要应用于不能与氧气发生放热反应，如铝的切 割。 • 波浪型花纹——辉纹；
• 高功率激光加工过程中，由于热积累，导 致镜片的折射率（主要原因）和形状发生 （次要原因）变化，并最终导致聚焦点位 置和光斑大小发生变化的现象——热透镜 效应，一般发生在窗口镜和聚焦镜上。 • （公式P92面描述了几个重要参数） • 表2.6给出了红外材料的主要常数：ZnSe效 果最为理想！
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各种激光加工技术的市场份额
打孔 微细加工
在日本约80％ 的工业激光器 用于切割
其它
切割
打标
焊接
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激光切割技术的特点
• 切缝窄，切缝宽度最小可至微米级，节省 材料； • 无接触加工，无切削力，无机械加工应力 及表面损伤，无工具磨损； • 热影响区很小，工件变形小； • 能切割易碎材料，极软、极硬的材料； • 切口平行度好、切边洁净，可直接用于焊 接；切口可向任何方向行进（带锯不能转 弯），可从任何一点开始（先穿孔）；
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激光切割原理示意图
切割速度
辅助气体 切割喷嘴 喷嘴与工件表面间距 割缝宽度
毛 刺
熔融材料
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激光切割过程中的通用能量表达式
ŋPL+Pr=PTp+Pm+Pv+Pl
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；
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几类激光切割设备的比较
（1）激光切割设备的主要市场在于金属板材的成型 加工，CO2激光器由于其稳定的性能、价格便宜等 特点，目前在激光切割机市场占据主导地位； （2）Nd:YAG激光器的主要缺点在于光束质量偏低， 因此在切割质量上与CO2激光器相比，优势不明显。 特别是该类激光器对于非金属材料而言效果有限， 因此限制了该类激光器在工业中的应用； （3）光纤激光器因其高光束质量在薄板金属切割领 域将从CO2激光器中抢去大量市场，特别是在大幅 面激光切割设备方面具有显著优势。
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• • • •
易于数控或计算机控制，并可多工位操作； 高速切割； 噪音低、无公害； 设备成本较高。（缺点）
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激光切割的分类
• 按照切割过程的本质或机理来分：
– 激光汽化切割； – 激光熔化切割； – 激光反应熔化切割（或氧化切割）； – 控制断裂切割; – 激光划线切割； – 激光复合切割。
• 按照切割对象分：金属切割和非金属切割 • 按照激光器出光模式分：连续和脉冲激光 切割
M07 G04 T200 G01 X0 Y300 F2000 G03 X100 Y100 I0 J100 G01 X200 Y0 G02 X100 Y-100 I0 J-100 G01 X0 Y-200 G02 X-100 Y-100 I0 J-100 G01 X-300.000 Y0.000 M08 M02 出激光 停200毫秒 Y 正向走300mm 逆时针走1/4圆弧 X 正向走200mm 顺时针走1/4圆弧 Y 负向走200mm 顺时针走3/4圆弧 X负向走300mm 关激光 程序结束
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三种基本切割机理比较
三种切割方式的能量状态比较
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三种方式下液滴输运过程比较
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其它切割方式和机理
• 控制断裂切割——激光局部照射材料表面，受热 部分将因膨胀而产生拉应力，从而产生裂纹，诱 导断裂过程,主要以切割硬、碎的玻璃、陶瓷等材 料为主。 • 激光划线——在材料表面利用高峰值功率激光刻 画出沟槽或小孔，然后利用机械力使其折断，对 硅和氧化铝基板切割中常采用，无挂渣、更小的 热影响区。 • “冷”切割——当光子能量达到足以破坏被加工 材料分子结构的键能时，对材料进行平破坏形成 割缝，此时的切割没有热的产生，无挂渣，紫外 波段的激光器（如准分子）通常以这种机理加工。 18
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汽化切割注意的问题
• 要求激光束有足够的功率密度（108W/cm2) 和峰值功率，一般来说脉冲激光主要为此 种切割方式，（峰值功率和功率不同）; • 蒸汽密度过大，将对入射激光束起反射和 吸收作用，并非功率愈大愈好！ • 金属蒸汽速度可达106cm/s，压力比大气压 纳秒、皮秒、 高出几个数量级，形成压力波，导致脆性 飞秒激光的刻 材料表面剥落。 蚀过程都是气 化切割过程！
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反应切割注意的问题
• 碳钢：60％能量,不锈钢：60％能量,钛合金： 90％能量,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！)因此所需的功率小 于前两种方式； • 所吹送的气体是氧气，起辅助气体的作用 吹掉割缝材料的同时，起到助燃的作用； • 有氧的存在，使材料表面形成氧化层，提 高对激光的吸收率，使得反应更加激烈； • 在钢和钛的切割中，起主要作用。
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。
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激光切割过程中的能量分配图
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激光切割割缝的基本构成
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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
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激光切割的物理过程
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激光切割过程的实际工艺参数
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激光反应熔化切割
• 利用激光束将材料加热到燃点（材料在纯 氧中的燃烧温度）然后通以能与材料发生 放热反应的工业纯氧，例如在切割钢铁时 可发生如下反应： • Fe+0.5O2 FeO+64.3k.cal/mol • 2Fe+1.5O2 Fe2O3+198.5k.cal/mol • 3Fe+2O2 Fe3O4+266.9k.cal/mol • 放出的热量为下一层提供能量。