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深圳市特思德激光设备有限公司

激光切割加工技术详解
激光切割技术是利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。
简介
利用激光切割设备可切割4mm以下的不锈钢，在激光束中加氧气可切割20mm厚的碳钢，但加氧切割后会在切割面形成薄薄的氧化膜。切割的大厚度可增加到20mm，但切割部件的尺寸误差较大。
激光切割设备的价格相当贵，约150万元以上。但是，由于降低了后续工艺处理的成本，所以，在大生产中采用这种设备还是可行的。由于没有加工成本，所以激光切割设备也适用生产小批量的原先不能加工的各种尺寸的部件。激光切割设备通常采用计算机化数字控制技术(CNC)装置，采用该装置后，就可以利用电话线从计算机设计(CAD)工作站来接受切割数据。
原理
激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。
激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。
激光汽化切割
利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。
激光汽化切割多用于薄金属材料和非金属材料(如纸、布、木材、塑料和橡皮等)的切割。
激光熔化切割
激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体(Ar、He、N等)，依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。
激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金等。
激光氧气切割
激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。它是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热;另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。
激光划片与控制断裂
激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。
控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。
主要特性
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。
切割过程中还添加与被切材料相适合的汽体。钢切割时利用氧作为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。
无接触加工
激光束聚焦后形成具有强能量的很小作用点，把它应用于切割有许多特点。先，激光光能转换成惊人的热能保持在小的区域内，可提供
⑴狭的直边割缝；⑵小的邻近切边的热影响区；⑶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⑴工件无机械变形；⑵无磨损，也谈不上的转换问题；⑶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⑴与自动化设备相结合很方便，容易实现切割过程自动化；⑵由于不存在对切割工件的限制，激光束具有无限的仿形切割能力；⑶与计算机结合，可整张板排料，节省材料。

激光刀模的发展
早期产品为达到商品包装的目的，在不考虑包装外观及成型质量的前提下，对于刀模板普遍采取传统的机械线锯缝隙，手工弯制、人工嵌刀的加工手法，这种传统手法是将需要的产品图纸绘制好后，通过复写纸描绘到模版——多层夹板上，然后使用模版锯床按照绘制在模版上的线条进行锯割加工，
而后将通过手工定型的嵌装、校准。这种加工成本低，设备一次性投入少，因此目前使用非常普及，俗称手工刀模。但其加工速度慢，精度低，遇到稍为复杂图形或在同一块模版上要求排列多个简单但相同、有一定一致性和精度要求的的图形就无法加工。手工刀模大的影响了刀模制作和后续工序的工作效率，同时成品误差较大，质量方面难以保证。因此发达国家已经基本上淘汰了这种手工刀模的制作方式，全部更新为数控激光切割设备和配套电脑弯刀机加工的激光排刀模切刀模，俗称激光刀模。
近年来，随着中国加入WTO和经济全球化发展，国内市场上消费者对商品包装的要求不断提高，更加趋于精密、个性以及多样化。正是这种需求，使激光数控切割配套电脑弯刀制模代替传统手工制模成为必然的发展趋势。
 激光在刀模的原理和应用
激光刀模加工的原理是将产品的平面设计图纸（CAD模式）或实际产品经过计算机编程后，写成激光刀模切割机和配套电脑弯刀机认可的程序，并在打样设备上打出1：1的清样供技术人员校对；然后将程序输入激光刀模切割机和电脑弯刀机，激光刀模切割机将需要的几何图形在摸版上进行激光切割；电脑弯刀机将预弯成型；后通过经过培训的技术工人将预弯成型嵌装到经过激光切割的模版上，通过检验、校对，一副激光刀模就加工成功了。激光刀模的特点是用电脑代替了人脑，用激光代替了传统的机械锯割加工，使产品的一致性、重复性有了质上的飞跃。

激光技术详解3
激光的特点
（一）定向发光
普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度小，大约只有0.001弧度，接行。1962年，人类次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。
（二）亮度高
在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑明显可见。若用功率强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个小的空间范围出，能量密度自然高。 激光的亮度与阳光之间的比值是百万级的，而且它是人类创造的。
激光的颜色
激光的颜色取决于激光的波长，而波长取决于发出激光的活性物质，即被后能产生激光的那种材料。红宝石就能产生深玫瑰色的激光束，它应用于领域，比如用于的和手术。公认贵重的气体之一的氩气能够产生蓝绿色的激光束，它有诸多用途，如激光印刷术，在显微手术中也是不可缺少的。半导体产生的激光能发出红外光，因此我们的眼睛看不见，但它的能量恰好能"解读"激光唱片，并能用于光纤通讯。
激光分离技术
激光分离技术主要指激光切割技术和激光打孔技术。激光分离技术是将能量聚焦到微小的空间，可获得105~1015W/cm2高的辐照功率密度，利用这一高密度的能量进行非接触、高速度、高精度的加工方法。在如此高的光功率密度照射下，几乎可以对任何材料实现激光切割和打孔。激光切割技术是一种摆脱传统的机械切割、热处理切割之类的全新切割法，具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更灵活的切割方法和更高的生产效率等特点。激光打孔方法作为在固体材料上加工孔方法之一，已成为一项拥有特定应用的加工技术，主要运用在航空、航天与微电子行业中。
（三）颜色纯
光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳光的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光的波长分布区间越窄，单色性越好。激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到2×10^-9纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。
（四）能量密度大
光子的能量是用E=hv来计算的，其中h为普朗克常量，v为频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围3.846*10^(14)Hz到7.89510(14)Hz.电磁波谱可大致分为： （1）无线电波——波长从几千米到0.3米左右，一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波；（2）微波——波长从0.3米到10^-3米，这些波多用在或其它通讯系统；（3）红外线——波长从10^-3米到7.8×10^-7米；（4）可见光——这是人们所能感光的狭窄的一个波段。波长从780—380nm。光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波。由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波少的那一部分；（5）紫外线——波长从3 ×10^-7米到6×10^-10米。这些波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当，因此紫外光的化学效应强；（6）伦琴射线—— 这部分电磁波谱，波长从2×10^-9米到6×10^-12米。伦琴射线（X射线）是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的；（7）伽马射线——是波长从10^-10～10^-14米的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的，物质或原子核反应中常有这种伴随着发出。γ射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。由此看来，激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因为它的作用范围很小，一般只有一个点），短时间里聚集起大量的能量，用做也就可以理解了。

激光穿孔
1、穿孔的难度
在切割的开始部位加工开始加工所需要的孔称做穿孔。板越厚，穿孔就越不稳定。可以说，板厚大于12.Omm的厚板切割中，发生加工不良现象的70%起因于穿孔不好。为了实施稳定的穿孔，在这里对穿孔的加工特性进行说明。
2、穿孔的原理
在穿孔过程中，贯通之前加工中产生的熔融金属堆积在被加工物表面上孔的周围。从发光后对被加工物表面加热过程，到缓慢加热进行穿孔作用，直至后的贯通是连续进行的。这个方法，如果板件厚度大于9.Omm，则穿孔时间就会急剧增加，但是孔径约为0.5mm，比切口窄，热影响也小。因此，如果增加加工能力，加大输出能量，熔融金属就很难全部从孔径上部排出，出现过度燃烧现象。CW条件是在被加工物表面的略微上方设定焦点位置，加工孔径，迅速加热的方法。虽然出现大量熔融金属，飞散到被加工物表面上，但却大幅度缩短了加工时间。
在穿孔的孔壁上也会出现吸收激光能量的现象。在穿孔加工过程中，照射的激光在穿孔中多重反射，边被吸收边向下传播。为了缩短穿孔时间，就要补充被孔壁吸收而
被减弱的能量，即在穿孔过程中有必要增加输出功率。而且，为了减少对孔壁周围的热影响，要在增加输出功率的同时，尽可能的缩短穿孔时间，减少激光对孔壁周围的照射。
3、 对付穿孔中出现缺陷的四个原则
穿孔过程中出现缺陷时，有必要对各种现象进行原因分析和找出处理方法。
（1）缺陷发生的瞬间
要确认是在穿孔的过程中，还是在穿孔结束后开始切割时发生的缺陷。如果是穿孔过程中发生的，则根据穿孔开始或者穿孔过程中条件切换时的具体情况，来修正发生问题的输出功率和气压条件。如果缺陷发生在穿孔结束之前，那是因为贯通之前切换到切割条件，有必要延长穿孔时间。
如果切割开始时发生加工缺陷的现象，那是因为在孔的表面周围堆积的熔融金属部位难以通过，所以有必要在开始位置设定脉冲条件或低速条件。
（2）缺陷产生的位置
如果在加工平台的特定位置，集中出现穿孔缺陷，那是因为激光光轴和喷嘴中心偏离。这需要调整光路偏离。
如果穿孔位置过于集中或者是在切割线路的附近进行穿孔，由于加工位置温度过高，也会造成穿孔缺陷。温度越高，缺陷的发生率就越大。因此有必要研究加工顺序，改善程序尽量沿着尚未过热的线路进行穿孔和切割。
（3）发生穿孔不良的时间
随着加工时间的推移，加工不良的发生次数只见增加不见减少时，其原因可能是发振器故障引起的输出功率变动。如果增加冷却时间就能恢复的话，其原因可能是光学部件热透镜的作用引起的。这种情况下就需要维修光学部件，并与供应商联系。
（4）发生穿孔不良的材料
对于发生穿孔不良的材料，要确认过去是否进行过良好加工，确认记录很重要。如果有过去加工的记录，就不需要调整加工条件，可以认定是加工机和光学部件的缺陷，进行检查找出原因。
4、适当的穿孔条件
被加工物的厚度越厚，穿孔时间在整体加工时间中所占的比例就会增加，对缩短穿孔时间的要求就会提高。对穿孔时间缩短有效的加工条件参数是脉冲峰值输出功率和脉冲波形及平均输出功率。
5、 防止在对不锈钢进行穿孔时出现须状物
在切割不锈钢时，孔表面周围会留下飞散须状的金属熔渣，在镜面及条纹表面材料上会出现划伤。而且，须状金属熔渣与静电感应式加工头的喷嘴发生接触时，会出现对焦异常的报警。
6、 高反射材料穿孔时的注意事项
在切割铜、纯铝等高反射材料时，需要在被加工物表面涂抹光束吸收剂。光束吸收剂不仅有提高加工能力的效果，而且从安全的角度上也有反射的作用。加工条件需要降低脉冲频率，提高脉冲峰值的每1个脉冲能量。而且通过气体压力，使熔融金属挤入板件内部，提高加工能力的效果。