激光切割制造论文.doc

激光切割技术及应用摘要：激光切割以其切割范广、切割速度高、切缝窄、切割面粗糙度低、热影响区域小、加工柔性好、可实现众多复杂零件的切割等优点而应用越来越广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。关键字：激光切割，工艺，金属切割，非金属切割，应用。正文：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。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。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，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。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。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。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之快，足以避免热传导造成的熔化，部分材料汽化成蒸汽消失，作为喷出物从切缝底部被辅助气体流吹走。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，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，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，小孔与切割方向同步横移形成一条切缝，激光束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。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。金属材料的激光切割： 金属材料在室温对红外波能量有很高的反射率，远红外波段10.6um光束的CO2激光器成功的应用于许多金属的激光切割实践。金属对10.6um激光束的起始吸收率只有0.5%10%，当具有功率密度超过106w/cm2的聚焦激光束照射到金属表面时，能在微秒级的时间内很快使表面开始熔化。处于熔融态的大多数金属的吸收率急剧上升。（1）碳钢。激光切割系统可以切割碳钢板的最大厚度可达20MM，利用氧化熔化切割机制切割碳钢的切缝可控制在满意的宽度范围，对薄板其切缝可窄至0.1MM左右。（2）不锈钢。 激光切割对利用不锈钢薄板作为主构件的制造业来说是个有效的加工工具。（3）合金钢。 大多数合金结构钢和合金工具钢都能用激光切割方法获得良好的切边质量。对于含钨的高速工具钢和热模钢，激光切割时会有熔蚀和粘渣现象发生。 （4）铝及合金。 铝切割属于熔化切割机制，所用辅助气体主要用于从切割区吹走熔融产物，通常可获得较好的切面质量。对某些铝合金来说，要注意预防切缝表面晶间微裂缝产生。 （5）铜及合金。 纯铜（紫铜）由于太高的反射率，基本上不能用CO2激光束切割。黄铜（铜合金）使用较高激光功率，辅助气体采用空气或氧，对较薄的板材进行切割。（6）钛及合金。 纯钛能很好耦合聚焦激光束转化的热能，辅助气体采用氧时化学反应激烈，切割速度较快，但易在切边生成氧化层，不小心还会引起过烧。为稳妥起见，采用空气作为辅助气体比较好，以确保切割质量。（7）镍合金。 镍基合金也称超级合金，品种很多。其中大多数都可实施氧化熔化切割 非金属材料的激光切割 10.6um波长的 CO2激光束很容易被非金属材料吸收，导热性不好和低的蒸发温度又使吸收的光束几乎整个输入材料内部，并在光斑照射处瞬间汽化，形成起始孔洞，进入切割过程的良性循环。（1）有机材料。可用激光切割的有机材料包括：塑料（聚合物）、橡胶、木材、纸制品、皮革等。（2）无机材料。可用激光切割的无机材料包括：石英、玻璃、陶瓷、石头（3）复合材料。新型轻质加强纤维聚合体复合材料很难是常规方法进行加工。利用激光无接触加工的特点可以对固化前的层迭薄片高速进行切割修剪、定尺，在激光束的加热下，薄片边缘被融合，避免了纤维屑生成。应用：激光切割主要应用在航空航天工业和汽车制造业中，如飞机框架、尾翼壁板、飞机主旋翼、汽车车架等切割。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C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。结语近年来,激光切割技术发展很快,国际上每年都以15%20%的速度增长。我国自1985年