激光切割技术的应用和展望.doc

南京理工大学课程名称： 微纳尺度加工技术 学生姓名： 储晓慧 学号 509010023评阅人： 时间：20 年 月 日激光切割技术的应用和展望提要：从激光的基本概念，特点及原理进行介绍，本文介绍了激光切割的两种激光器：固体激光器和气体激光器的原理，主要介绍了激光的高速切割和精细切割两工艺，并各工艺进行举例说明，提出问题和解决问题的措施。关键字：激光 固体激光器 气体激光器 高速切割 精细切割Laser cutting technology and the prospectsAbstract the paper introduces from the basic,concept,characteristics and principles of the laser, and then describes two kinds of laser cutting laser: principles of solid-state lasers and gas laser, primarily introduces high-speed laser cutting and fine cutting , setting each issue.At laster, bring questions and solutions of problems.Keywords laser solid-state lasers gas laser high-speed laser cutting fine cutting11前言自从1967年Sullivan和Houldcraft1首先提出并实现用吹氧法进行金属的气体激光切割以来, 激光切割以其切割范围广、切割速度高、切缝窄、切割面粗糙度低、热影响区小、热畸变小、加工柔性好、可实现众多复杂零件的切割等优点而成为现代工业应用中的第一大户。在美国、德国、日本等发达国家, 因其汽车工业的发达而使用比例达以上2。2激光的产生 有些原子或离子的高能级或次高能级却有较长的寿命，这种寿命较长的较高能级，称为亚稳态能级3，而这些亚稳态能级的存在时形成激光的重要条件。某些具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光子能量激发的条件下，会吸收光能，使处在较高能级（亚稳态）的原子（或粒子）数目大于处于低能级（基态）的原子数目，这种现象称为“粒子数反转”。在粒子数反转的状态下，如果有一束光子照射该物体，而光子的能量恰好等于这两个能级对应的能量差，这时就能产生受激辐射，输出大量的光能，从而产生激光。自然界中，能量的传递有三种方式：自发辐射、受激辐射、受激吸收。如图1所示，但只有第（2）种情况才有可能产生激光。3激光加工的基本设备激光器：把电能转变为光能，产生激光束。激光器电源：为激光器提供所需的能量及控制功能。光学系统：包括激光聚焦系统和和观察瞄准系统，后者能观察和调整激光束的焦点位置，并将加工位置显示在投影仪上。机械系统：随着电子技术的发展，目前已采用计算机来控制工作台的移动，直线激光加工的数控操作。激光切割常用的激光器3固体激光器：一般采用光激励，能量转化环节多，光的激励能量大部分转化为热能，所以效率低。如图固体激光器结构示意图知，它包括工作物质、光泵、玻璃套管和滤光液、冷却水、聚光器及谐振腔等部分。气体激光器：一般直接采用电激励，其效率高，寿命长，连续输出功率大广泛用于切割、焊接、热处理等加工，常用的有二氧化碳激光器、氩离子激光器等。如图所示二氧化碳激光器主要包括放电管、谐振腔、冷却系统和激励电源等。5.激光切割技术的应用5.1 YAG激光高速切割技术玻璃的割断特性4：有涂层切割由于玻璃是透明体，其表面不经处理即可用激光照射，光不被吸收而透过不全引起割断。因此，有必要在其表面涂上一层介质使其吸收能量。切割试验在以下条件下进行:激光连续输出、准确聚焦、工作的进行速度6.1inrn/s、试样尺寸15 (min) X 32 (mm) X1. 7mtn。从 图 可以看出涂层对割断的影响，工作台的进给速度与激光器功率间成线性关系。直线以下区域不产生割断，直线以上区域的条件下可以产生割断。由图可知，若提高进给速度为产生割断则必须提高激光功率。图显示从黑到蓝割断所需功率逐渐变大。这可认为与激光的吸收状态有关。在红色涂层条件下，可能是由于光吸收小而不能实现割断。无涂层割断对于磨砂玻璃这样的经过研磨的非光滑面的玻璃板，即使不施以涂层也可以进行切割。图3表示了对试片端部通过研磨进行倒角的试件，照射激光后的裂纹状态(将观察结果进行模式图化)。从图3可以了解到随着激光的扫描，裂纹在试片端部瞬时产生(裂纹的产生过程)，然后跟随激光束裂纹扩展(裂纹的扩展过程)。由此实验可知，割断是由经裂纹的产生和扩展两个过程而完成的。这个实验结果也说明了即使不用表面涂层也可以实现割断5.2激光精细切割技术血管内支架的激光精细切割技术5-6 血管内支架放置术是一种侵入性小的治疗方法,而且成功率高、并发症低,是动脉硬化和其它血管疾病患者理想的治疗选择。该手术主要是用细导管将支架送至血管阻塞部位,支架扩张后撑开狭窄的血管,使血液流通,从而使患者的病症得以缓解(图1)。采用刻蚀、冲模铸造、细微电火花和激光切割等工艺技术可获得金属毛细管网纹图案,但前几种工艺的加工速度慢且质量不稳定,激光切割由于工艺简单、速度快、精度高而被广为应用,是血管内支架的主要加工方法。激光切割过程将激光通过光学系统聚集在原材料的表面,同时将辅助气体吹在激光与材质作用区域,用于去除切口的碎渣并冷却激光作用区。图4是激光切割支架的切缝图,切缝通常为20m左右,必须采用高性能的激光光源和合适的工艺参数,才能确保这样的切割质量7 。目前，实用化的血管内支架切割一般采用N d ：Y A G 激光加工系统8-13，这种激光器的缺点是光斑直径大、光束质量差、转换效率低、稳定性差， 采用这类系统加工的支架的缺点是筋宽不均匀、热影响区大、切缝质量差。近年来，激光器不断发展：光纤激光器14以其特定的优点而在各行业中的到广泛应用，对激光切割工艺参数对切割质量的影响的研究，运用光纤精密切割系统可以切割出高质量的血管内支架。飞秒激光切割支架,属冷加工过程,在根本上消除了类似于长脉冲加工过程中的熔融区热影响区、冲击波等多种效应对周围材料造成的影响和热损伤,提高了激光切割的精度。该技术在细胞领域中有一些应用,如纳米手术、基因转染和染色体切割等。与传统技术相比,该技术精度高,可在不损伤细胞活性的前提下对细胞进行实验15。水导激光切割技术将Nd:YAG激光导入水柱中(纯水,0.55107Pa)中,水柱象石英光纤一样通过全反射将激光传输到被加工坯料表面,水柱还可冷却被加工坯料,剥离加工时产生的溢料、渣滓(图8)。 Wagner16用水导激光切割技术应用于支架的加工,用常规激光切割方法得到氧化区厚度接近12m(见图9),而用水导激光技术,切割边缘未发现在氧化区(图10)。5.3二维和三维激光切割的区别17一.重力影响的不同。在采用同轴喷嘴和加工头始终与工件表面垂直的条件下, 对平面激光切割而言, 重力方向始终与辅助气体喷射压力的方向一致；对三维激光切割而言, 重力方向存在与辅助气体喷射压力方向不一致的情况, 即重力方向与喷射压力成一定的夹角, 这样一来, 熔池内的流体平衡不再全靠通常的所谓体积浮力脚来维持, 而是靠自由边界形变产生的表面张力维持二.工件散热情况不尽相同对于图2所示的二维及三维待切割工件而言, 工件散热情况见图中箭头所示。不同的散热状况势必造成切割件几何形状、切口附近组织、热影响区大小等的不同。三.切割工艺技巧不尽相同例如对图所示的二维及三维待切割工件而言, 前者需空走一段距离才能实现拐角优质激光切割后者的实现需不停地调整激光切割头姿势, 以保证激光切割头始终与工件表面垂直, 从而获得优良的切割质量6.激光切割存在的问题及展望18存在的问题: 对平面激光切割研究较多, 而对三维激光切割研究较少。 缺乏简单、有效和定量的在线质量监控方法。 激光切割过程模拟的研究任重道远。 激光切割机理的研究有待深人。为了解决上述问题, 我们认为今后的激光切割研究应发生以下几个方面的转变 从离线在线单参量激光切割质量监控转向多参量在线激光切割质量监控的研究方向。 从传统的稳态模拟转变到动态模拟。 在研究激光一材料一辅助气体三者间的交互作用时, 除继续研究二维激光切割机理外, 应着手研究三维激光切割研究的机理。参考文献：1A.B.Sullivan.P.F.Houldcroft,Gas-jet laser cutting .Brut.Weld.J.,1967.46(8):443-4452刘东华,激光切割.激光杂志，1992,13（4）：207-2133白基成,郭永丰,刘晋军.特种加工哈尔滨工业大学出版社 2006.84吴秀丽,YAG激光高速切割技术.光机电信息,2000第7期5McCleanD.R,et al,Reviews in Cardiovascular Medicine,2002,3,166Stoeckel D.et al,Min Invas Ther& Allied Technol.,2002,11,1377Raval A.et al,Materials Science and Engineering A,2004,386,3318顾兴中，易红，倪中华等 冠状动脉支架的设计与加工工艺J 东南大学学报 2005 ， 35（6）：898 -9029 陈卓，王佳玲，李雨田等冠状动脉支架激光精密切割J 材料导报，2008，22 (4) ： 112115 10 FRWagner，CBoillata ，JBuchilly ，eta1.Highspeed Cutting of thin materials with a Q-switched laser in a water jet VS conventional laser cutting with a free running la ser C Proceedings of SPIE ，2003 ，4977 ：707111 Y P KathuriaLaser microf abrication of biocompatible metallics tent for medical therapy CProceedings of SPIE，2003 .5142 ：176 - 180 12YP Kathuria.An overview on laser microfabrication of bicompatible metallic stent for medical stent for medical therapy C.Proceedings of SPIE,2004,5399:234-241.13SK Sudheer, VPM Pilai, VU Nayar ,et al,Micromachining of 316LVM stainless steel tubes using periodic asoudto-optic modulation of pulsed Nd:YAG lasers for cardiovascular stent applications.J.J.Microlith. Micro