金属与非金属的激光加工――激光切割

金属与非金属的激光加工激光切割3.1激光切割基础3.1.1激光切割原理与主要特点3.1.1.1激光切割原理激光切割：激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射处的材料迅即熔化、汽化、烧蚀，并形成孔洞，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，随着光束和工件的相对运动，最终使工件形成切缝，从而实现割开工件的一种热切割方法。激光切割过程：如图1所示，切割过程发生在切割终端处的一个垂直表面，称之烧蚀前沿。激光和气流从该处进入切口，激光能量一部分被烧蚀前沿所吸收，一部分通过切口或经烧蚀前沿向切口空间反射。激光切割装置如图2所示。气流激光切割方向汽化材料烧蚀前沿被切材料熔融材料喷射熔化区图1激光切割区示意图45°反射镜激光束聚焦透镜辅助气体流喷嘴图2激光切割装置示意图同轴喷嘴调整进入辅助气体激光切割分类：从切割过程不同的物理形式来看，激光切割大致可分为汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制断裂切割四类，其中以氧助熔化切割应用最为广泛。1.汽化切割当高功率密度的激光照射到工件表面时，材料在极短的时间内被加热到汽化点，部分材料化作蒸气逸去，部分材料以喷出物形式从割缝底部被辅助气体驱除。汽化切割的激光功率密度一般为108W/cm2量级。汽化切割是大部分有机材料和陶瓷材料所采用的切割方式，飞秒激光切割任何材料都属于这种切割机制。汽化切割的具体机理：（1）照射到工件表面的激光束能量部分被反射，部分被材料吸收，反射率随着工件表面被持续加热而下降。（2）表面材料温度升高到沸点温度的速度如此之快，足以避免热传导造成的熔化。（3）汽化材料以近声速从工件表面飞快逸出，其加速力在材料内部产生应力波。当功率密度达到109W/cm2时，应力波在材料内的反射会导致脆性材料碎裂，同时也升高蒸发前沿压力，提高汽化温度。（4）蒸气随身带走熔化质点和冲刷碎屑，形成孔洞。在汽化过程中，60%左右的材料是以熔滴形式被气流驱除的。2.熔化切割利用一定功率密度的激光辐照工件表面使之熔化形成孔洞，同时依靠与光束同轴的非活性辅助气体把孔洞周围的熔融材料吹除，形成割缝。其所需功率密度约在107W/cm2左右。熔化切割的机理：（1）照射到工件表面的激光束功率密度超过某一阈值后，被辐照点材料开始蒸发并形成小孔。（2）一旦小孔形成，它作为类黑体几乎吸收所有光束能量，小孔被熔融金属壁所包围，同时高速流动的蒸气流维持熔融金属壁的相对稳定。（3）熔化等温线贯穿工件，辅助气流喷射压力将熔化材料驱除。（4）随着激光束扫描，小孔横移形成切缝，烧蚀前沿处熔化材料持续或脉动地从缝内被吹除。3.氧助熔化切割激光将工件加热到其燃点，利用氧气或其他活性气体使材料燃烧，产生激烈的化学反应而形成除激光以外的另一种热源，在两种热源共同作用下完成切割，称为氧助熔化切割。氧助熔化切割机理：氧助熔化切割的机制较为复杂，简要描述如下：（1）材料表面在激光辐照下被迅速加热到其燃点，随之与氧气接触发生激烈燃烧反应，放出大量热量。在此热量作用下，材料内部形成充满蒸气的小孔，小孔周围被熔融金属壁所包围。（2）随光束扫描的蒸气流运动使周围熔融金属壁向前移动，产生热量和物质转移，形成割缝。（3）最后达到燃点温度区域的氧气流，作为冷却剂减小工件的热影响区。两个热源的比例：在氧助熔化切割的两个热源中，据粗略估计，切割钢时，热反应提供的能量要占全部切割能量的2/3左右，切割活泼金属时，这一比例会更高。两个切割质量区：在氧助熔化切割中存在着两个切割质量区域，如果氧燃烧速度高于光束扫描速度，割缝就宽而粗糙；反之，割缝就窄而光滑。这两个质量区域间的转折是一个突变。O2扩散穿过熔渣到达点火前沿的速度熔渣形成速度燃烧速度燃烧反应快熔渣去除速度快O2速度高氧气流速的影响4.控制断裂切割对易受热破坏的脆性材料，利用激光束加热进行高速、可控地切断，称为控制断裂切割。其切割机理可简述为：激光束加热脆性材料的小块区域，在该区引起极高的热梯度，产生严重的机械形变，使材料形成裂缝。只要保持均衡的加热梯度，激光束可以引导裂缝在任何需要的方向上产生。控制断裂切割速度快，只需很小的激光功率，功率过高反而造成工件表面熔化，破坏切缝边缘。控制断裂切割的主要控制参数是激光功率密度和光斑大小。3.1.1.2激光切割主要特点1.切割质量好激光切割是一种高能量密度的热加工方式，其功率密度可达106~109W/cm2，经聚焦的光斑直径一般为0.1~0.5mm。当光束照射到工件时，激光光能转换成惊人的热能保持在极小的区域内，输入到照射区的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分。激光切割的割缝窄（一般为0.1~0.5mm）、切口平行度好、无毛刺、割缝粗糙度小（Ra一般为12.5~25µm）、尺寸精度高（中心孔距误差为0.1~0.4mm，轮廓尺寸为0.1~0.5mm）、重复性好、热影响区小（约为0.08~0.1mm）、几乎无热应力变形。同时，激光切割是一种无接触加工，切割过程无切削力施加于工件，工件也无需夹紧，因而工件无机械应力及表面损伤。2.切割效率高、节省材料激光切割区割缝窄，割除区域材料的热容量小，同时激光能量密度和能量利用率高，因此其加工速度快，为机械方法的20倍左右。激光切割省去了工件夹紧、划线、去油等准备工序；无刀具切割，不存在刀具更换；不需要任何模具制造，节省开模费用，既没有模具消耗，也无须修理模具，还节约更换模具时间，非常适合新产品的开发，缩短研发周期。一旦产品图纸形成后，马上可以进行激光加工，可以在最短的时间内得到新产品的实物。良好的切割质量，也减少了工件后续加工量，大幅度地降低企业的生产成本和提高产品的档次。激光加工采用电脑编程，可以把不同形状的产品进行材料的套裁，最大限度地提高材料的利用率。3.具有广泛的适应性和灵活性激光切割的适用范围非常广泛，大多数的有机与无机材料都可以用激光切割。激光切割能力不受被切材料的硬度影响，任何硬度的材料都可以切割，如脆性、极软、极硬材料。激光束可控性强，现代激光切割系统能方便地切割各种形状复杂的零件和图样，既可切割平面工件，又能切割立体工件。激光切割可以从任何一点开始（先穿孔），切口可向任何方向行进，不受切割工件的限制，激光束具有无限的仿形切割能力。激光束易与数控系统和计算机控制系统相结合，实现切割过程自动化。4.是环境友好型加工激光切割噪声低、振动小，对环境基本无污染，社会效益好。3.1.2激光切割的质量评价3.1.2.1激光切割的尺寸精度{静化精度：定位精度及重复精度（数控工作台的机械精度和控制精度）动化精度：随切割速度而变化的加工形状轨迹精度{数控机床性能：静化精度光束质量：光束的圆度、强度的不均匀性以及光轴的紊乱加工现象：氧化反应热混乱产生的异常燃烧、热膨胀、切割面粗糙、材质等尺寸精度分类：尺寸精度影响因素：实际加工中决定尺寸精度的主要因素：在一般材料的激光切割过程中，由于切割速度较快，工件的热变形很小，通过对设备的精确调试和必要的程序补偿，光束质量和加工现象对加工尺寸精度影响可以降低到较小的程度，此时切割工件的尺寸的精度主要决定于切割机数控工作台的机械精度和控制精度。实际加工精度量级：在脉冲激光切割加工中，采用高精度的切割机床与控制技术，工件的尺寸精度可达µm量级。在连续激光切割中，工件尺寸精度一般在±0.2mm，高的可达到±0.1mm。简单分析激光切割机状态的方法：是在加工平台的四角和中央5个位置，分别切割如图所示的八角形加一个内圆形状的试件。采用八角形可以确认全方位切割的方向性，并且不会因受热集中而造成切割质量恶化。我们可从对边尺寸（A，B，C，D），圆度（A΄，B΄，C΄，D΄），切割面粗糙度和倾斜度等方面来评估试件样品。为更加简单地判断加工精度，可将激光切割机维修后加工的同样试件作为极限样本进行保存，定期确认切割精度。ACDBA′D′C′B′2mm厚普通冷轧钢板确认激光切割机性能的实例注：1.加工形状：边长100mm，圆孔直径30mm。2.测量位置：ABCD4个位置的对边线之间的长度以及A′B′C′D′4个位置的直径。3.检验标准：对边线之间长度的误差在±0.07mm之内，直径的误差在±0.06mm之内。ü3.1.2.2激光切割的切口质量激光切割切口的质量要素：如图所示，主要体现在切口宽度、切割面粗糙度、切割面的倾斜角、热影响区和粘渣等几个方面。切口宽度倾斜角θ粘渣热影响区（HAZ）（a）（b）ΔF激光切割的切口质量要素塌角量1.切口宽度激光切割金属材料时的切口宽度，与光束模式和聚焦后的光斑直径有很大的关系。CO2激光束聚焦后的光斑直径一般在0.15~0.3mm之间。激光切割低碳钢薄板时，焦点一般设在工件上表面，其切口宽度与光斑直径大致相等。随着切割板材厚度的增加，切割速度下降，就会形成如前图所示上宽下窄的V形切口，且上部的切口宽度也往往大于光斑直径。一般来说，在正常切割时，CO2激光切割碳钢时的切口宽度约为0.2~0.3mm。2.切割面的粗糙度如图所示表示了切割不同板厚碳钢时的切割面粗糙度，切割面的粗糙度几乎与板厚的平方成比例恶化，而且在切割面下部这种倾向更为明显。影响切割面粗糙度的因素较多，除了光束模式和切割参数外，还有激光功率密度、工件材质和厚度等。对于较厚板料，沿厚度方向切割面的粗糙度存在较大差异，一般上部小，下部大。采用聚光性高的短焦距透镜和尽量高的切割速度，有利于改善切割面的粗糙度。切割面的粗糙度1—上部粗糙度2—下部粗糙度单光束模式脉冲加工软钢材板厚/mm切割面粗糙度Rmax/µm3.切割面的倾斜角在激光切割金属和非金属材料时，切口形成的机理不同，切割面形状也不同，如后图所示。图a表示了切割金属材料时切口内的激光传播特性。激光在切口壁之间的多次反射，向板厚方向传播的能量逐渐减弱，靠近中心部位的激光才能达到足够的功率密度。图b表示了切割非金属材料时切口内的激光传播特性。在切口壁上几乎没有激光反射，焦点下方的切口形状随光束的扩展而膨胀，但随着板厚方向输出能量的减弱，切口宽度会变窄。工件切割实验表明，切割面倾角的大小同激光功率密度、焦点位置、切割方向、切割速度等因素有关，但一般都在1°以内，基本上看不出明显的倾角。4.热影响区在激光切割钢材过程中，切割面处于被切割材料熔点以上温度，光束离开后就会迅速冷却（工件本身的热传导）。由此造成钢材一部分呈现淬火状态，激光切割部分就无法进行钻孔等后续加工，如果在切割部分进行弯曲加工，则会出现龟裂现象。淬火硬度与材质的含碳量成比例，所以低碳钢材质不硬化，而中高碳钢材料则会完全硬化。如图表示了SK3切口截面上板厚上部Hu、中央部分Hm、下部Hd位置的硬化层（200HV以上）的厚度。切口左右的硬化层对称均匀，从被加工件上部到下部逐渐增加。这是因为熔融金属从上部向下部流动，越靠近下部高温熔融金属滞留的时间就越长而引起。热影响区的分布（脉冲输出功率为350W，加工速度为300mm/min）HdHmHu5.粘渣粘渣是指激光切割中在被加工件背面切口附近附着的熔融金属飞溅物，如图所示。粘渣的出现受切割条件、被加工件的材质、材料厚度等因素影响。碳钢一般情况下很少发生粘渣的现象。在厚板切割时会出现粘渣，但很容易清除。氧助熔化切割不锈钢板时，很难避免粘渣的发生，而且产生的粘渣也很硬，很难清除。但板厚大于6mm时，被氧化的粘渣有变脆的倾向。用氮气进行无氧切割不锈钢板时，可大幅降低粘渣量。激光切割中的粘渣割缝粘渣（a）发生粘渣的断面（b）被加工件背面的粘渣通常在激光切割薄板时，切口宽度、切割面粗糙度等容易满足要求，用户最关心的是切口上的粘渣。但粘渣是一个难以量化的指标，主要通过肉眼观察切口粘渣的多少来判断切割质量的好坏。3.1.3影响激光切割质量的主要因素喷嘴直径喷嘴与工件距离外光路……影响激光切割质量的因素聚焦透镜机械控制系统激光性能加工系统性能和激光束品质的影响加工材料因素和工艺参数的影响激光切割质量材料其他工艺参数材料表面反射率材料表面状态材料厚度材料的