激光切割

激光切割技术主要内容1.什么是激光切割？激光切割有哪些特点？2.激光切割如何分类？机理如何？3.激光切割系统如何构成？4.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？参考书：《LaserMaterialProcessing》WilliamM.Steen《高功率激光加工与应用》闫毓禾2什么是激光切割？理想的激光切割现实的激光切割3•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。4微细加工焊接打标打孔其它切割各种激光加工技术的市场份额在日本约80％的工业激光器用于切割5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）；6•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）7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89激光汽化切割（VaporisationCutting）•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)10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，压力比大气压高出几个数量级，形成压力波，导致脆性材料表面剥落。纳秒、皮秒、飞秒激光的刻蚀过程都是气化切割过程！11激光熔化切割（FusionCutting）•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)12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；13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。14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。15三种基本切割机理比较三种切割方式的能量状态比较16三种方式下液滴输运过程比较17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。19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：•N——激光数•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100)1(33GTIntNv将945℃的瓷棒放在材料上测量其效果在材料表面垂直放置一根直径1.13mm（即端面积1mm2）的针，针上放置5kg重量，放置炉中，炉温按照50℃/h的速率升温，能将针插入1mm时的炉温。20•N=100——————很容易切割•20N100——————比较容易•N=4——————很难被切割21激光切割系统组成激光切割系统激光源光传输系统激光切割头数控系统高度调节系统工作气体编程系统22激光源气体激光器固体激光器23光传输系统•镜组传输和光纤传输24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25数控运动方式•飞行光路切割系统:反射镜运动，工件不动26•工件运动，激光器不动27•机械手28•光纤传输机器人（例）29•装有扫描加工头的激光切割机器人30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31扫描振镜和多棱镜323334扫描振镜35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36编程系统——机器和人的接口•G代码（手动编程-2维）M07出激光G04T200停200毫秒G01X0Y300F2000Y正向走300mmG03X100Y100I0J100逆时针走1/4圆弧G01X200Y0X正向走200mmG02X100Y-100I0J-100顺时针走1/4圆弧G01X0Y-200Y负向走200mmG02X-100Y-100I0J-100顺时针走3/4圆弧G01X-300.000Y0.000X负向走300mmM08关激光M02程序结束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）37示教编程38离线编程（CAD设计仿真一体化）39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：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。激光切割过程中的空程率？40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。41激光切割原理示意图辅助气体切割喷嘴喷嘴与工件表面间距切割速度熔融材料毛刺割缝宽度42ŋPL+Pr=PTp+Pm+Pv+Plŋ: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。激光切割过程中的通用能量表达式43激光切割过程中的能量分配图44激光切割割缝的基本构成45激光切割后板材的组织结构特点激光切割后的板材重铸层热影响区其它部分46激光切割的物理过程47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，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。48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）。49不同模式下的激光能量分布50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=2.44fλ/D(推导)对于多模激光束：12/44.2minlpDfdf/D能够小于1吗？51减小光斑直径的途径•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；12/44.2minlpDfd5253等光程设计54M2因子（激光束质量因子或衍射极限因子）2202021)(zz/0gauss55M2因子、Q因子•定义光束发散角的比值M为：0actgaussactMQMract2M2≥1，M2越小，光束质量越好方便测量和计算P89面给出了M2的计算方式56M2因子、K因子•K=1/M2K≤1，K越大，光束质量越好。fDLact2min2dr由于：LLDMfDfMd)(4422minISO标准M2λ当成λ就可以把多模激光束当成高斯光束来对待！！！57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5822min/D56.2)/44.2(05.1/05.1//fZDfDdDZfff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！222/56.2DMfZf对于多模激光束，将M2λ当成λD1.05dminZff59热透镜效应•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！组合镜可以减小畸变、球差等影响60红外晶体透镜ZnSe镜片GaAs镜片61激光束光束特性•光斑直径(dmin)越小，光束模式(M2因子）越好（高斯模或者低阶模），聚焦深度（Zf）越大，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。62偏振对激光切割的影响•1981年丹麦工业大学材料加工研究所在进行激光切割时发现互相垂直的两个方向的切割速度差别很大；•声波是纵波，光波是横波，偏振是横波的重要特性；•一般来说，高功率激光器输出的是偏振面不固定的线偏振光。63与反射面垂直方向的入射光的反射率与反射面平行方向的入射光的反射率64偏振对切口的影响65偏振对切割速度的影响66消除偏振的影响•激光器本身不能产生圆偏振光；•必须采用特殊的多层介质膜反射镜——相滞反射镜（PhaseRetardationReflector）•Rn＝Rh七五