第二章 激光切割

1、第二章 激光切割n 2.1 激光切割技术概述；n 2.2 激光切割机理;n 2.3 激光切割的工艺分析;n 2.4 激光切割的质量评价;n 2.5 影响激光切割质量的因素;n 2.6 常用工程材料的激光切割;n 2.7 激光切割安全;n 2.8 激光切割技术的发展; 2.1 激光切割技术概述n 一、激光切割的切边窄、工件变形小 激光束聚焦成很小光点(其最小直径可小于0.1mm)。使焦点处达到很高的功率密度(可超过106W/cm2)。这时光束输入(出光能转换)的热量远远超过被材料反射、传导或扩散部分，材料很快加热至汽化温度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动。使孔洞近续形成宽度很窄(如0.

2、1mm左右)的切缝。切边受热影响很小基本没有工件变形。2.1 激光切割技术概述n 二、激光切割是一种高能量密度可控性好的无接触加工 首先，激光光能转换成惊人的热能保持在极小的区域内，它可提供：窄的直边割缝；最小的邻近切边的热影响区；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：工件无机械变形；无刀具磨损，也谈不上刀具的替换问题；切割材料无需考虑它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料硬度影响。 再次，激光束可控性强，并有高的适应性和柔性，因而，与自动化装备相结合很力便，容易实现切割过程自动化；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；与计算机结

3、合，可整张板排料，节省材料。 2.1 激光切割技术概述n 三、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。 首先与其它热切割方法相比，同样作为热切割过程，别的方法不能象激光束那样集中能量于一个极小区域，结果导致切口宽、热影响区大和较明显的工件热变形。激光能切割非金属，而其它热切割方法则不能。 其次，与机械冲压加工相比，机械性冲、剪、锯切加工需要刚性夹持工件，在运作硬、脆材料时会产生切割刀刃变形、毛刺和经常性的磨刃和更换等困难，使用户不得不考虑一次性投资虽高、但切割刃口不接触工件的激光切割所带来的种种优越性。 再次，与热切割和机械切割以外的其它力法比较，激

4、光切割也有其独特之处。2.2 激光切割机理n 一、汽化切割 在高功率密度激光束加热下，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，于是部分材料汽化作为蒸气逸出部分材料作为喷出物从切缝底部被辅助气体流吹走。这种切割机制需要108W/cm2左右的高功率密度， 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机制切割成形的。 汽化切剂过程中，蒸气随时带定熔化质点和冲刷碎屑，形成孔洞。汽化过程中，大约40的材料化作蒸气逸出，而有60%左右的材料则是以熔滴形式被气流驱除的。2.2 激光切割机理n 二、熔化切割 材抖的熔化切割机制可概括为：当入射的激光束功率密度超过

5、某一阈值后，光束照射点处材料内部开始蒸发，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驱除、带走。熔化机制切割所需的激光功率密度大约在107W/cm2左右，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掉。2.2 激光切割机理n 三、燃烧切割 材料表面在激光束照射下很快被加热到燃点温度，随之与氧气接触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气的小孔，而小孔周围为熔融金属壁所包围。燃烧物质转移成熔渣控制氧和金属的燃

6、烧速度。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热能。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。在拥有两个热源的氧化熔化切割过程中，如果氧燃烧速度高于激光束移动速度，割缝显得宽而粗糙；如果激光束行进速度比氧燃烧速度快，则所得焊缝狭而光滑。2.2 激光切割机理n 四、控制断裂切割 对易受热破坏的脆性材料，通过激光束加热进行高速、可控地切断，称为控制断裂切割机制。这种切割过程可概括为：激光束加热脆性材料小块区域，引起该区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。2.3 激光切割的工

7、艺分析n 一、切割速度 对给定的激光功率密度和材料，切割速度符合于一个经验式，只要在阈值以上材料的切割速度与激光功率密度成正比，即增加功率密度可提高切割速度。这里所指的功率密度不但与激光输出功率有关，而且与光束质量主要是模式有关。另外，光束聚焦系统的特征，即聚焦后的光斑大小也有很大影响。 切割速度同样与被切材料的密度（比重）和厚度成反比。 当其他参数保持不变，提高切割速度的因素是： 提高功率（在一定范围内如500-2000W）; 改善光束模式（如从高阶模到低阶模直至TEM00）； 减小聚焦光斑尺寸（如采用短焦距透镜聚焦）； 切割低起始蒸发能的材料（如塑料、有机玻璃等）； 切割低密度材料（如白松

8、木等）； 切割薄型材料。2.3 激光切割的工艺分析n 二、焦点位置 由于激光功率密度对切割速度影响很大，透镜焦长的选择是个重要问题。激光束聚焦后光斑大小与透镜焦长成正比，光束经短焦长透镜聚焦后光斑尺寸很小，焦点处功率密度很高，对材料切割很有利；但它的不利之处是焦深很短，调节余量小，一般比较适合高速切割薄型材料。焦长对聚焦后光斑大小和焦深的影响见右图。对厚工件来说，由于长焦长透镜有较宽较深，只要具有足够功率密度，用它来切割比较适合。 在确定使用何种焦长的透镜以后，焦点与工件表面的相对位置对保证切割质量尤为重要。当焦点处于最佳位置时，割缝最小，效率最高，最佳切割速度可获得最佳切割效果。2.3 激光

9、切割的工艺分析n 三、辅助气体 一般情况下材料切割都需要使用辅助气体，问题主要牵涉到辅助气体的类型和压力。通常，辅助气体与激光束同轴喷出，保护透镜免受污染并吹走切割区底部溶渣。对非金属材料和部分金属材料，使用压缩空气或惰性气体，清除熔化和蒸发材料，同时抑制切割区过度燃烧。 对大多数金属激光切割则使用活件气体(主要是氧气)，形成与炽热金属发生氧化放热反应，这部分附加热量可提高切割速度1/3-1/2。 在确定辅助气体的提下，气体压力大小是个极为重要的因素。当高速切割薄型材料时，需要较高的气体压力以防止切口背面粘渣(热粘渣到工件上还会损伤切边)。当材料厚度增加或切割速度较慢时，则气体压力宜适当降低。

10、为了防止塑料切边霜化也以较低气体压力切割力好。 激光切割实践表明，当辅助气体为氧时，它的纯度对切割质量有明显影响。氧纯度降低2会降低切割速度50，并导致切口质量显著变坏。2.3 激光切割的工艺分析n 四、激光输出功率 对连续波输出的激光器来说，激光功率大小和模式好坏都会对切割发生重要影响。实际操作时，常常设置最大功率以获得高的切割速度，或用以切割较厚材料。但光束模式(光束能量在横断面上的分布)有时显得更加重要，而且，当提高输出功率时，模式常随之稍有变坏。常可发现，在小于最大功率状况下焦点处却获得最高功率密度，并获得最佳切割质量。在激光器整个有效工作寿命期间，模式并不一致。光学元件的状况、激光工

11、作混合气体细微的变化和流量波动，都会影响模式结构。 综上所述，虽然影响激光切割的因素较为复杂，但切割速度、焦点位置、辅助气体压力和激光功率及模式结构是四个最重要变量。在切割过程中，如发现切割质量明显变坏，就首先要检查以上讨论的因素并及时加以调控。2.4 激光切割的质量评价 n 一、激光切割质量评估因素 2.4 激光切割的质量评价 n 二、形状误差分类 2.4 激光切割的质量评价 n 三、表面粗糙度与不平度计算 2.4 激光切割的质量评价 n 四、激光切割质量评价解释 2.4 激光切割的质量评价 n 四、激光切割质量的判断 2.4 激光切割的质量评价 n 四、激光切割质量的判断 2.4 激光切割

12、的质量评价 n 五、切割面质量的判断 2.4 激光切割的质量评价 n 六、切割面粗糙度的计算 2.4 激光切割的质量评价 n 七、轮廓不平度的计算 2.4 激光切割的质量评价 n 八、评估切割质量的参数 2.4 激光切割的质量评价 n 九、燃烧切割不规则性及原因图示2.4 激光切割的质量评价 n 十、切割结果的评估（切割速度）2.4 激光切割的质量评价 n 十、切割结果的评估（焦点位置1）2.4 激光切割的质量评价 n 十、切割结果的评估（焦点位置2）2.5 影响激光切割质量的因素 n 一、激光模式 激光束断面能量分布称为模式，用TEM表示，意指横截面上电磁能分布。它直接与光束的聚焦能力有关，

13、相当于机械切割刀具的尖锐度。最低阶模或基模以TEM00表示，其断面光束能量分布近似于高斯曲线分布。具有这种模式的光束可案焦到最小的光斑尺寸和有限场深的能量密度。轴向快流激光器的通常模式是TEM10或TEM01，被称为低阶模。它提供的光束兼顾了功率密度与场深两者的良好组合。高阶模或多模光束断面特征是能量从中心向外扩散，导致较大光斑尺寸和能量集中程度较低，与相同功率输入的低阶模激光束比，犹如一把钝的切割工具，这种模式的激光器较适于厚板焊接与热处理。 高斯模(TEM00)断面光束能量达到高斯分布，它可以密集地聚焦获得集中的最高能量。 低阶模(TEM01)接近高斯模并具有它的大多数优点。 多模高阶模的

14、混合，均匀地分布能量适于厚板焊接与热处理。2.5 影响激光切割质量的因素n 二、激光束的偏振 就象任何类型电磁波传输一样，激光束也具有相互成90°并与光束运行方向垂直的电、磁分矢量，在光学领域习惯上把电矢量方向作为激光束偏振方向。 在切割金属和陶瓷时明显表现出的切边质量不一致，如切缝、切边粗糙度、垂直度的变化，就是偏振效应引起的，它能不可预测地影响到瞬间藕合到材料的光束能量的吸收程度。 切割方向与光束偏振相平行时，切缝窄、切边平直。当切割方向从偏振面移开，就会导致能量吸收的递减。切割速度越慢，切口越宽，切边粗糙并与材料表面不垂直。一旦切割方向与偏振面完全垂直，则切边不再倾斜，切割速度

15、越慢，切口越宽，切割质量显得越粗糙。 但对复杂形状工件来说，很难始终保持偏振方向平行于切割方向，为此，现代激光切割系统已配备一种光学镜片，以获得等量耦合消除不均一性，而不管切割方向如何，这种镜片称为圆偏振镜。2.5 影响激光切割质量的因素n 三、激光束的聚焦 利用激光束的热量进行切割，必须把激光器射出的原始光束经过透镜聚焦，才能形成高能量(功率)密度。 通常推荐晒化锌(ZnSe)作为透镜材料，两面镀防反射膜。晒化锌镜片既可透过CO2激光束进行聚焦，也能透过通常作工件对中用的可见氦-氖(He-Ne)光。 激光器射出的原始光束通过透镜会聚到焦点，随后向远处散射，产生焦点(锥点)两侧的两个锥形。 焦

16、点处功率密度最高。透镜焦距长，聚焦光斑大，功率密度就相对较低，但焦深大，操作容许度也大；反之，透镜焦距短，光斑小，功率密度高， 但焦深也小。2.5 影响激光切割质量的因素n 四、脉冲波光束 通常用连续波激光束切割工件角部，由于切割机床运作需要，机床先减速后增速通过角区，使角周围堆积起来的热量无法及时散去，引起角部切割区材料过烧，影响切割质量。 现代激光切割系统所使用的激光器在连续波的基础上也能发射脉冲波，这样，当切割角区时可使用同步脉冲波及时调节功率以与角区切割速度变化相适应。当角区切割完成再度在直线方向运行时，激光束将回复到连续波切割。使用同步脉冲波激光束，明显地改善了工件角区切割质量。2.

17、6 常用工程材料的激光切割 n 一、1mm厚不锈钢板切割 2.6 常用工程材料的激光切割 n 二、16mm厚碳钢板切割 2.6 常用工程材料的激光切割 n 三、8mm厚碳钢板切割 2.6 常用工程材料的激光切割 n 四、10mm厚木板切割 2.6 常用工程材料的激光切割 n 五、1mm厚硅钢片切割 2.7 激光切割安全 （1）激光对组织的损伤： 激光束照射眼睛和皮肤，导致组织损伤的因素可以包括热效应、光压效应和光化学相互作用过程。 （2）激光对眼睛的危害： 眼睛特别适合接收和感受光辐射。眼睛对于不同波长激光的吸收特性如图。紫外和红外激光可使角膜损伤，而可见与近红外激光可使视网膜损伤，并且不可逆。 （3）激光对皮肤的危害： 一般低功率、低能量的激光辐射对眼