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论我国激光切割技术现状及发展城市建设学院给排水2011/11/28论我国激光切割技术现状及发展科技的发展，激光技术已经应用到工业生产中的各个领域。从航空航天到船舶制造，从医疗手术到集成电路生产，从机械制造到服装生产„„不同的工业领域，激光有着不同的解决绝方案。光切割技术运用于金属中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。现代的激光成了人们所幻想追求的“削铁如泥”的“宝剑”。激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,而形成一定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着CO2激光器及数控技术的不断完善和发展,目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙炔火焰切割；对于薄板采用剪床下料,成形复杂零件大批量的采用冲压,单件的采用振动剪。七十年代后,为了改善和提高火焰切割的切口质量,又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期,又发展了数控步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点,在工业生产中有一定的适用范围。原理：激光切割是利用高功率密度的激光束扫描过材料表面，在极短时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料熔化或气化，再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走，达到切割材料的目的。快，切口光滑平整，一般无需后续加工；切割热影响区小，板材变形小，切缝窄（0.1mm~0.3mm）；切口没有机械应力，无剪切毛刺；加工精度高，重复性好，不损伤材料表面；数控编程，可加工任意的平面图，可以对幅面很大的整板切割，无需开模具，经济省时。激光可切割的材料很多，包括有机玻璃、木板、塑料等非金属板材，以及不锈钢、碳钢、合金钢、铝板等多种金属材料。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。应用：德国巴伐利亚洲激光技术中心（BLZ）研发出铝泡沫夹层材料（AFS）的激光切割技术，AFS是一种卓越的汽车轻量化复合材料，其芯部为铝金属泡沫材料，外层是两个很薄的包覆薄板材（件），重量轻，刚性好，且强度高，可任意成形。AFS应在形成泡沫和非泡沫状态下被激光切割（加工）。机器人辅助激光切割塑料的一个典型例子是大众汽车公司的高尔夫IV型轿车柱的内衬件。应用二氧化碳激光器，并直接安装在机器人手臂上，切割这种3D--塑料内衬部件的外轮廓、切出通风孔和安全带的固定孔。大众应用的这种激光束切割技术，不仅作业速度快，而且切割面质量均匀一致。激光切割的主要特性1、激光切割的切缝窄，工件变形小激光束聚焦成很小的光点，使焦点处达到很高的功率密度。这时光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分，材料很快加热至汽化程度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。切边受热影响很小，基本没有工件变形。切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助汽体。钢切割时利用氧作为辅助汽体与熔融金属产生放热化学反应氧化材料，同时帮助吹走割缝内的熔渣。切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气，棉、纸等易燃材料切割使用惰性汽体。进入喷嘴的辅助汽体还能冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。大多数有机与无机材料都可以用激光切割。在工业制造系统占有份量很重的金属加工业，许多金属材料，不管它是什么样的硬度，都可以进行无变形切割。当然，对高反射率材料，如金、银、铜和铝合金，它们也是好的传热导体，因此激光切割很困难，甚至不能切割。激光切割无毛刺、皱折、精度高，优于等离子切割。对许多机电制造行业来说，由于微机程序控制的现代激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件，它往往比冲切、模压工艺更被优先选用；尽管它加工速度还慢于模冲，但它没有模具消耗，无须修理模具，还节约更换模具时间，从而节省了加工费用，降低了生产成本，所以从总体上考虑是更合算的。另一方面，从如何使模具适应工件设计尺寸和形状变化角度看，激光切割也可发挥其精确、重现性好的优势。作为层叠模具的优先制造手段，由于不需要高级模具制作工，激光切割运转费用也并不昂贵，因此还能明显的降低模具制造费用。激光切割模具还带来的附加好处是模具切边会产生一个浅硬化层（热影响区），提高模具运行中的耐磨性。激光切割的无接触特点给圆锯片切割成形带来无应力优势，由于提高了锯片使用寿命。2、激光切割是一种高能量、密度可控性好的无接触加工。激光束聚焦后形成具有极强能量的很小作用点，把它应用于切割有许多特点。首先，激光光能转换成惊人的热能保持在极小的区域内，可提供（1）狭的直边割缝；（2）最小的邻近切边的热影响区；（3）极小的局部变形。其次，激光束对工件不施加任何力，它是无接触切割工具，这就意味着（1）工件无机械变形；（2）无刀具磨损，也谈不上刀具的转换问题；（3）切割材料无须考虑它的硬度，也即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。再次，激光束可控性强，并有高的适应性和柔性，因而（1）与自动化设备相结合很方便，容易实现切割过程自动化；（2）由于不存在对切割工件的限制，九游会官网 J9平台激光束具有无限的仿形切割能力；（3）与计算机结合，可整张板排料，节省材料。3、激光切割具有广泛的适应性和灵活性。与其它常规加工方法相比，激光切割具有更大的适应性。首先，与其他热切割方法相比，同样作为热切割过程，别的方法不能象激光束那样作用于一个极小的区域，结果导致切口宽、热影响区大和明显的工件变形。激光能切割非金属，而其它热切割方法则不能。（1）氧-可燃体（如乙炔）切割。这种方法主要用于切割低碳钢，由于它热输入影响大，切割速度低，很少被用来切割20MM以下要求尺寸精确的材料。（2）等离子切割。切割速度明显快于氧乙炔切割，但切割质量较差，切边顶部呈圆头状，切边明显起波浪形，还要防止电弧产生的紫外线辐射。它稍优于激光切割之处在于适合切割较厚钢板和对光束反射率高的铝合金等。（3）模冲。大量生产零件用模冲方法成本低，生产周期短。但它对设计上的变化的适应性很差，新的模具需要长时间设计，造价高，对中、小规模的生产来说，激光切割的特点就会充分显示。另外，激光程控切割便于工件紧密编排，节省材料，而模冲则需要每个工件周围预留材料。（4）复杂零件分段冲切。一般情况下，冲床经常要冲切比模具尺寸大得多的工件，有些工件还很复杂，这就导致切边呈许多小贝壳状刃口，需要第二次预备性加工整修。另外冲头会形成比激光切割宽得多的切口，产生大量铁屑。（5）锯切。切割薄金属，其速度明显比激光切割慢，而且激光作为一个灵活的无接触、仿形切割工具，可从材料的任何一点开始切向任何方向切割。这一点，锯切是难以做到的。（6）电加工。一般，有利用电腐蚀或熔解效应的电火花和电化学加工两种方法，用于坚硬材料的精细加工，切口粗糙度较好，但切割速度要比激光切割速度慢 几个数量级。 （7）水切割。可切割许多金属材料，但费用很高。 二、激光切割的主要工艺 1、汽化切割 在高功率密度激光束的加热下，材料表面温度升至沸点温度的速度是如此之 快，足以避免热传导造成的熔化，于是部分材料汽化成蒸汽消失，部分材料作为喷 出物从切缝底部被辅助气体流吹走。一些不能熔化的材料，如木材、碳素材料和某 些塑料就是通过这种汽化切割方法切割成形的。 汽化切割过程中，蒸汽随身带走熔化质点和冲刷碎屑，形成孔洞。汽化过程 中，大约40%的材料化作蒸汽消失，而有60%的材料是以熔滴的形式被气流驱除 2、熔化切割当入射的激光束功率密度超过某一值后，光束照射点处材料内部开妈蒸发，形 成孔洞。一旦这种小孔形成，它将作为黑体吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化 金属壁所包围，然后，与光束同轴的辅助气流把孔洞周围的熔融材料带走。随着工 件移动，小孔按切割方向同步横移形成一条切缝。激光束继续沿着这条缝的前沿照 射，熔化材料持续或脉动地从缝内被吹走。 3、氧化熔化切割 熔化切割一般使用惰性气体，如果代之以氧气或其它活性气体，材料在激光束 的照射下被点燃，与氧气发生激烈的化学反应而产生另一热源，称为氧化熔化切 割。具体描述如下： （1）材料表面在激光束的照射下很快被加热到燃点温度，随之与氧气发生激 烈的燃烧反应，放出大量热量。在此热量作用下，材料内部形成充满蒸汽的小孔， 而小孔的周围为熔融的金属壁所包围。 （2）燃烧物质转移成熔渣控制氧和金属的燃烧速度，同时氧气扩散通过熔渣 到达点火前沿的快慢也对燃烧速度有很大的影响。氧气流速越高，燃烧化学反应和 去除熔渣的速度也越快。当然，氧气流速不是越高越好，因为流速过快会导致切缝 出口处反应产物即金属氧化物的快 速冷却，这对切割质量也是不利的。 （3）显然，氧化熔化切割过程存在着两个热源，即激光照射能和氧与金属化 学反应产生的热能。据估计，切割钢时，氧化反应放出的热量要占到切割所需全部 能量的60%左右。很明显，与惰性气体比较，使用氧作辅助气体可获得较高的切 割速度。 （4）在拥有两个热源的氧化熔化切割过程中，如果氧的燃烧速度高于激光束 的移动速度，割缝显得宽而粗糙。如果激光束移动的速度比氧的燃烧速度快，则所 得切缝狭而光滑。 4、控制断裂切割。 对于容易受热破坏的脆性材料，通过激光束加热进行高速、可控的切断，称为 控制断裂切割。这种切割过程主要内容是：激光束加热脆性材料小块区域，引起该 区域大的热梯度和严重的机械变形，导致材料形成裂缝。只要保持均衡的加热梯 度，激光束可引导裂缝在任何需要的方向产生。 要注意的是，这种控制断裂切割不适合切割锐角和角边切缝。切割特大封闭外 形也不容易获得成功。控制断裂切割速度快，不需要太高的功率，否则会引起工件 表面熔化，破坏切缝边缘。其主要控制参数是激光功率和光斑尺寸大小。 激光焊接原理——激光是辐射的受激发射光放大的简称，由于其独有的高亮 度、高方向性、高单色性、高相干性，自诞生以来，其在工业加工中的应用十分广 泛，成为未来制造系统共同的加工手段。 用激光焊接加工是利用高辐射强度的激光束，激光束经过光学系统聚焦后，其 激光焦点的功率密度为104~107W/cm2，加工工件置于激光焦点附近进行加热熔 化，熔化现象能否产生和产生的强弱程度主要取决于激光作用材料表面的时间、功 率密度和峰值功率。控制上述各参数就可利用激光进行各种不同的焊接加工。 激光焊接的一般特点——激光焊接是利用激光束作为热源的一种热加工工艺， 它与电子束等离子束和一般机械加工相比较，具有许多优点：（1）激光束的激光 焦点光斑小，功率密度高，能焊接一些高熔点、高强度的合金材料；（2）激光焊 接是无接触加工，没有工具损耗和工具调换等问题。激光束能量可调，移动速度可 调，可以多种焊接加工；（3）激光焊接自动化程度高，可以用计算机进行控制， 焊接速度快，功效高，可方便的进行任何复杂形状的焊接；（4）激光焊接热影响 区小，材料变形小，无需后续工序处理；（5）激光可通过玻璃焊接处于真空容器 内的工件及处于复杂结构内部位置的工件；（6）激光束易于导向、聚焦，实现各 方向变换；（7）激光焊接与电子束加工相比较，不需要严格的真空设备系统，操 作方便； （8）激光焊接生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。 激光焊接在传感器生产中的工艺特点——激光用来封焊传感器金属外壳是目前 一种最先进的加工工艺方法，主要基于激光焊接有以下特点：（1）高的深宽比。 焊缝深而窄，焊缝光亮美观；（2）最小热输入。由于功率密度高，熔化过程极 快，输入工件热量很低，焊接速度快，热变形小，热影响区小；（3）高致密性。 焊缝生成过程中，熔池不断搅拌，九游会官网 J9平台气体易出，导致生成无气孔熔透焊缝。焊后高的 冷却速度又易使焊缝组织微细化，焊缝强度、韧性和综 合性能高； （4）强固焊缝。高温热源和对非金属组份的充分吸收产生纯化作 用，降低了杂质 含量，改变夹杂尺寸和其在熔池中的分布，焊接过程中无需电极
