1、激光切割技术激光切割技术1 1概述概述 激光切割是利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑，将材料快速加热至汽化温度，蒸发形成小孔洞后，再使光束与材料相对移动，从而获得窄的连续切缝。连续激光可用于各种材料的高效率切割，红外脉冲激光主要用于金属材料的精密切割，紫外脉冲激光主要用于薄板金属或非金属材料的精密切割。连续激光切割加工是激光加工应用的重要领域，而CO2激光切割加工各种金属和非金属，则是激光切割应用的最大市场。2 2连续激光切割的基础连续激光切割的基础 2.12.1连续激光切割材料的特点连续激光切割材料的特点11 1. 1.切割品质好切割品质好 割缝窄（一般为0.10.5mm）、精度高（一般孔中
2、心距误差0.10.4mm，轮廓尺寸误差0.10.5mm）、割缝粗糙度好（表面粗糙度一般为Ra12.525m）。 2. 2.切割速度快、效率高切割速度快、效率高 激光切割加工为无接触加工，惯性小，因此其加工速度快。 3. 3.热影响区小、几乎无变形热影响区小、几乎无变形 虽然激光照射加工部位的热量很大、温度很高，但照射光点很小，且光束移动速度快，所以其热影响区很小。 清洁、安全、劳动强度低清洁、安全、劳动强度低 由于激光切割自动化程度高，可以全封闭加工、无污染、噪声小，明显地改善了操作人员的工作环境。 5. 5.几乎可用于任何材料的切割几乎可用于任何材料的切割 激光亮度高、方向性好，聚焦后的光点
3、很小，能够产生极高的能量密度和功率密度，足以熔化任何金属，还可以加工非金属，特别适合于加工高硬度、高脆性及高熔点的其他方法难以加工的材料。 6. 6.不易受电磁干扰不易受电磁干扰 激光加工不像电子束加工必须在真空中才能进行。 7. 7.激光束易于传送激光束易于传送 通过外光路系统可以使激光束随意改变方向，甚至可通过光纤传输，和数控机床、机器人连接起来，构成各种灵活的弹性加工系统。 8. 8.激光切割经济效益好激光切割经济效益好 尤其对于其他传统方法很难加工的材料，采用激光切割的优势更明显。 9. 9.节能和节省材料节能和节省材料 由于激光切割的割缝很窄，且为数控加工，可采用软件套排整版加工，可
4、节省材料15%30%。 2.22.2连续激光切割材料的机制及分类连续激光切割材料的机制及分类 一、连续激光切割机制一、连续激光切割机制 当激光功率超过一定阈值后，在材料被激光穿透前，熔化的材料在激光喷嘴吹出的气流的助推下被反向抛出，同时喷出物继续吸收激光能量，形成电浆，这些电浆对激光的吸收率很大，屏蔽了部份激光向材料表面的直接注入，使材料对激光的吸收减小，导致加热熔化时间变长，热影响区域变大，因此激光起始穿孔的口径较大。材料越厚，激光穿透的孔径越大。当材料被激光穿透后，以一定速度移动光束，则融蚀前缘熔化的材料，在激光喷嘴吹出的气流的助推下被正向吹出，形成的电浆将在孔内（或切缝内），此时电浆进一
5、步吸收的激光能量，将通过热传导传递到材料基体，这相当于增大了材料对激光的吸收率，而使加热熔化时间变短，热影响区域变小，切缝变窄。 二、连续激光切割分类二、连续激光切割分类 1. 1.汽化切割汽化切割 当聚焦到材料表面的激光功率密度非常高时，与热传导相比，材料表面的温度上升极快，直接达到汽化温度，而没有熔化产生。飞秒激光切割任何材料都属于汽化切割，奈秒或连续激光切割只有在切割一些低汽化温度的材料（如木材、碳素材料和某些塑料）时，才属于汽化切割。 2. 2.氧助熔化切割氧助熔化切割 当激光切割金属材料时，若所吹辅助气体为氧气或含氧的混合气体，使被激光加热的金属材料产生氧化放热反应，这样在激光能量外
6、就产生了另一个热源金属化学反应产生的热能，且两个热能共同完成材料的熔化及切割，称之为氧助熔化切割。 3. 3.无氧熔化切割无氧熔化切割 当激光切割材料时，若所吹辅助气体为惰性气体，熔化的材料将不会与空气中的氧气接触，也就不会产生化学反应，故称为无氧熔化切割。 2.32.3影响连续激光切割质量的因素影响连续激光切割质量的因素33 一、工件特性及激光光波长对切割质量的影响一、工件特性及激光光波长对切割质量的影响 直接工件特性及激光波长对影响材料对光束能量的吸收率，而对激光能量的吸收是实现激光加工的前提，吸收率的大小决定着激光加工的能量利用率。一般非金属材料对紫外激光和10640nm的CO2激光的吸
7、收率很大，而对近红外输出的固体激光的吸收率，却因材料不同有很大变化。 二、技术参数的影响二、技术参数的影响 影响激光切割质量的主要技术参数，有喷嘴结构、气流、辅助气体、切割速度、焦点位置、焦点大小、景深、穿孔、程序设计等。 1. 1.气流与喷嘴气流与喷嘴 对气流的基本要求，是进入切口的气流量要大，速度要高，以便有足够的动量将熔融材料喷射吹出，对于金属切割还要有足够的氧化气流，使切口材料充分进行放热反应。 2. 2.透镜焦距、焦点位置与切割质量透镜焦距、焦点位置与切割质量 (1)透镜焦距与切割品质：激光切割的优点之一，是光束能汇聚成很小的光点，获得极高的能量密度，从而切出一窄的割缝，为此需要焦点
8、光斑直径尽可能的小。一般大功率CO2激光切割机中，广泛采用127190mm的焦距，此时焦点光斑直径在0.10.4mm之间，焦深在58mm之间，需要控制焦点相对于被切割材料表面的位置不超过焦深值。 (2)焦点位置与切割品质4,5：焦点位置的控制好坏对于切口品质影响极大。对于6mm以内金属薄板的切割，焦点在材料表面上下一定范围内都可整洁（不粘熔渣）地切割。加工金属的激光切割机主要采用电容非接触式间隙传感器，跟踪精度在0.010.1mm，标称间隙在0.53mm，测量电极结构一般采用与喷嘴一体式结构或环式结构。图图3切割切割品品质与焦点位置的关系质与焦点位置的关系图图4割缝宽度与焦点位置的关系割缝宽度
9、与焦点位置的关系 (3)焦点判断 a.打印法：使切割头从上往下运动，在塑料板上进行激光束打印，打印直径最小处为焦点。 b.斜板法：水平等速推动斜放的塑料板，激光束的最小（切痕最小）处为焦点。 c.蓝色火花法：去掉喷嘴，斜向吹高压空气，将脉冲激光打在不锈钢板上，使切割头从上往下运动，直至蓝色火花最大处为焦点。 (4)焦点光斑的稳定方法：对于基模（TEM00模）激光，可视为理想的高斯光束，聚焦焦点的光斑尺寸d0是与激光束的光斑尺寸D成反比的，即 （1） 对于大型飞行光路激光切割机，由于切割近端和切割远程光程长短会相差2m以上，聚焦前的光束尺寸就有较大差别，导致各处聚焦焦点的光斑尺寸有变化。入射光束
10、的直径越大，焦点光斑的直径越小。 04fdD= 3. 3.切割穿孔技术切割穿孔技术 激光穿孔一般有两种方法： (1)脉冲穿孔：一种先进的穿孔方法，可以获得较小穿孔直径。该方法适用于可以输出高峰值功率脉冲激光的连续激光器。由于每个激光脉冲只产生少量微粒喷射，因此厚板穿孔时间需要几秒钟。板材一旦穿透，立即加大气流量，或将辅助气体换成氧气（对于金属切割），按一定轨迹移动光束进行切割。 (2)爆破穿孔：当连续激光器没有高峰值功率脉冲激光输出时，采用爆破穿孔法。控制激光头移动到起始位置后停止运动，启动连续激光照射材料，使该点中心熔化形成一凹坑，然后由与激光束同轴的气流很快将熔融材料去除（反向喷出），经过
11、一定时间形成一孔洞。一般孔的大小与板厚有关，爆破穿孔平均直径为板厚的一半。 切割速度切割速度 激光切割速度过低，则材料过烧，使切缝变宽，并使热影响区域显著增大。当激光切割速度过高时，则会使切口清渣不净，切口变得粗糙。可见若能保证恒定的最佳速度切割，效果最好。 5. 5.程序设计程序设计 加工程序的优劣，建立在大量的技术实验的基础上，有丰富的经验才能编写出好的加工程序。而使用一个好的编程软件可以降低这方面的要求，因为好的CAD/CAM软件就是大量经验的总结。也是提高效率、节省时间、节省材料的有效方法。 三、激光参数的影响三、激光参数的影响 1. 1.激光功率对切割速度与切割质量的影响激光功率对切
12、割速度与切割质量的影响44 激光功率增加，在其他条件不变时，割缝宽度增加，实际上，激光功率增加，切割速度变大时切割质量仍然很好，切割速度范围也随之扩大。图6割缝宽度和激光功率的关系（1kgf/cm298.0665kPa）图7切割品质随功率与切割速度的变化（1kgf/cm298.0665kPa） 2. 2.激光模式及光束质量对切割质量的影响激光模式及光束质量对切割质量的影响 激光切割应选用单模或准单模激光，多模激光只能用于热处理或焊接应用。由于单模激光不但可以聚焦到很小的焦点，使切缝很窄，而且单模激光能量分布为中心对称，所以切割不同方向的割缝质量相同。而多模激光的能量分布是不对称的，所以不同方向
13、的割缝宽度可能不均一，质量也可能不同。激光束质量的好坏可以采用光束远场发散角、光束聚焦特征参数Kf和衍射极限因子M2（M）或光束传输因子K来表示。图8几种CO2激光束横截面强度分布图9高功率固体激光通过光纤后光束横截面强度分布 图103300W全固态激光束横截面强度分布 激光器类型封离式慢速轴流横流快速轴流涡轮风机快速轴流扩散冷却型SLAB出现年代20世纪70年代中期20世纪80年代早期20世纪80年代中期20世纪80年代后期20世纪90年代早期20世纪90年代中期最大功率W5001000200005000100004500光束品质M2不稳定1.51052.51.2光束品质Kf/mmmrad不
14、稳定5351795表1常用CO2激光器的光束品质 激光器类型灯激发体半导体激发片状固体DISCLD端面激发Slab单颗光纤激光器多颗积体光纤激光器出现年代20世纪80年代20世纪80年代末期20世纪90年代中期20世纪90年代末期21世纪初21世纪初功率W600044004000（样机）20070010000光束品质M2703571.1470光束品质Kf/mmmrad25122.50.351.425表2工业用固体激光器的光束品质 3 3常用材料的激光切割特性常用材料的激光切割特性 3.13.1金属板材的激光切割金属板材的激光切割 一、普通碳钢的激光切割 低碳钢最适合采用氧助熔化激光切割。低碳钢
15、含有99%以上的铁，铁的氧化反应产生大量的热量，因此通过吹氧辅助，可以减小对激光能量的要求。另外氧气可自由穿过氧化反应造成的氧化铁层，进入熔化材料，使氧化反应可连续快速地沿切口移动。 高碳钢的激光切割质量也较好。与低碳钢比，只是热影响区稍微大一些。含杂质低的冷轧钢板的激光切割质量优于热轧钢板。镀锌钢板和涂塑薄钢板的激光切割效果很好 二、不锈钢的激光切割二、不锈钢的激光切割2 不锈钢一般采用高压氮气辅助切割，需要激光功率较高，切口白亮，不氧化、不变色。如用氧气助熔切割，在同样功率下切割速度可加快，但切口氧化变黑。不锈钢中含有10%20%的铬，由于铬的存在，倾向于破坏铁的氧化过程，使熔化层氧化不完
16、全，反应热减少，切割速度较低。另一方面，由于熔化物没有完全氧化，与工件之间有较大的黏附力，不易完全从切口吹除，较易在切口的下缘留有熔化残渣。 图11切割不同材料钢材时的激光焦点位置 三、镍合金的激光切割三、镍合金的激光切割 对镍合金的激光切割与不锈钢的切割相似，但由于熔融态的镍的黏度较高，更容易引发熔渣黏附在割缝背面，所以对镍合金的激光切割一般在较高的氧气压力下完成。随合金成分的不同，切割速度大约为切割同等厚度不锈钢的0.51.0倍。 四、钛及合金的激光切割四、钛及合金的激光切割 由于钛的氧化反应放热量很大，吹氧切割钛的氧化反应剧烈、切割速度较快，且很容易引起切口过烧，一般采用空气为辅助气体，
17、更容易控制切割质量。而航空业常用的钛合金（Ti-6Al-4V）激光切割的质量较好，一般采用空气为辅助气体，在割缝的底部会产生少许粘渣，但很容易清除，而切口会由于吸收了氧，产生一硬脆氧化层。吹惰性气体可减少氧化污染问题，但切口附近存在的热影响区 五、铝及其合金的激光切割五、铝及其合金的激光切割 由于铝及其合金的热导率大，对红外激光又有高反射率，连续激光很难完成穿孔。如打磨其表面使之变粗糙、涂吸光材料或阳极钝化铝表面，也可从边缘起切或从预先钻孔处起切。但切割铝及其合金的最有效办法，是采用高重复频率高峰值功率的脉冲激光，高的脉冲峰值功率能有效突破铝合金表面的吸收壁垒，获得良好的切缝。 六、铜材料的激
18、光切割六、铜材料的激光切割 铜和铝相似，对红外激光具有高反射率并具有高热导率，连续激光很难完成穿孔，属难切材料。采用高重复频率高峰值功率的脉冲激光，辅助吹氧，可以较好地切割铜合金。 3.23.2非金属材料的激光切割非金属材料的激光切割 对CO2激光，非金属材料几乎完全吸收10640nm的激光能量。一般切割所采用的辅助气体是空气。 非金属的切割可以是切割区的汽化、熔化或化学裂解。在某些情况下，材料切除过程是以上几种机制中的两个或三个的组合。 一、有机材料激光切割一、有机材料激光切割 纯的有机材料对YAG激光的透过率较大，所以不适合用YAG激光切割，而其对CO2激光几乎完全吸收，所以有机材料特别适
19、用于CO2激光切割。它属于汽化切割，切口品质特别好。 紫外激光可以对一些有机聚合物进行冷切割，是一种化学分割过程，而不是一般的热切割过程，因此切口尖锐，没有任何熔化痕迹，品质极高。 二、纸张、木材等激光切割二、纸张、木材等激光切割 纸张、木材等很容易采用激光进行切割。木材不熔化，属于汽化切割，同时在切割区发生化学裂解，裂解产物由气流吹除，切口断面覆盖有残余碳颗粒。由于切口材料无熔化流动，切口通常均很平滑。吹空气一般切缝会有黑色煳边，吹工业氮气切缝不会产生黑色煳边。对于较薄的材料，常用100W以下的中小功率CO2激光切割。对于较厚的材料，如多层胶木板的纸盒模板切割，常用5001500W的CO2激
20、光切割，通过参数控制，可切割出宽度均匀的矩形割缝。 三、玻璃和石英的激光切割三、玻璃和石英的激光切割 玻璃材料对CO2激光的吸收率很高，能有效地吸收激光束的能量而被热能熔化，可以加工，但会伴随着切口下沉，周围产生的热应力，也会使边缘出现裂缝（玻璃的韧性太差），因而不能进行相当精确的切割加工。 石英材料比玻璃耐热冲击，熔点很高，因此可以用激光切割。CO2激光切割薄的石英板材或管材效率很高，如用450W CO2激光切割石英灯泡管，每小时可切4000个4。 四、陶瓷材料的激光切割四、陶瓷材料的激光切割 陶瓷材料比玻璃耐热冲击，熔点很高，因此可以用激光切割，但采用通常的穿透切割，速度比较低。由于割缝附
21、近的热梯度较大，有可能产生裂缝，预加热陶瓷材料和使用脉冲激光，是减少切割区热冲击的有效方法。 采用脉冲激光，在陶瓷上缘直线打一系列互相衔接的盲孔，由于应力集中，材料很容易准确地沿此线折断，且切割速度很高。划痕切割只适用于直线切割。 紫外脉冲激光切割陶瓷薄片时，切割边缘陡直、光滑，无细小裂纹，热影响区域极小，切割边缘位置准确度高，精度好。 值得注意的是，酚甲醛树脂为基础的材料不宜用激光切割。夹布胶木、玻璃胶布板、合成材料等以酚甲醛树脂为基础的材料很难用激光切割。因这些材料在激光辐照作用下，产生熔融的黏性物质，这种黏性物质很难被气流从切口区域吹走，而在切割这些材料时需要更大的能量消耗，另外这种熔融
22、的黏性物质，对红外光有更高的反射率，所以反射光很容易毁坏激光加工镜头。4 4连续连续COCO2 2激光的特色应用激光的特色应用 (1)金属板金件激光切割，特别是切割一些轮廓形状复杂、批量不大，从技术、经济成本和时间角度来衡量，制造模具不划算的钣金件。 (2)装饰、广告、服务行业用的不锈钢（一般厚度小于3mm）或非金属材料（一般厚度小于20mm）的图案、标记、字体等，如艺术照相册的图案，公司、单位、宾馆、商场的标记，车站、码头、公共场所的中英文字体。 (3)对切割品质要求较高的特殊零件，如要求切缝均匀的模切版和石油割缝筛管，要求切缝精度高的SMT模板。 (4)汽车板金的三维切割。经过模具冲压成型
23、的汽车板金为立体形状，一般再加工较困难，采用五轴的CO2激光切割机可以很容易的切出各种形状的孔洞。 1 1板金件激光切割板金件激光切割图12激光切割的板金件 一、一般金属板的激光切割一、一般金属板的激光切割 图图13激光切割的合金齿轮激光切割的合金齿轮图图14激光切割的合金锯片激光切割的合金锯片图15激光切割的机箱壳板 图16德国TRUMPF公司的平面切割机床 图17CO2激光加工机器人 二、整卷带钢的连续激光切割二、整卷带钢的连续激光切割 用激光切割机加工整卷带钢，只需要在设计激光加工机床时，增加整卷带钢的自动进料系统。图18整卷带钢激光切割机 1. 1.提高设备的加工效率提高设备的加工效率
24、 由于减少了板金件加工中的上下料的停机时间，可实现无人化操作，因此加工效率高。 2. 2.节约材料节约材料 由于带钢可以连续进料，可以避免大量的废料产生。 3. 3.节省开支节省开支 带钢价格约比板材便宜15%，可直接节省开支。 2 2非金属板材的激光切割非金属板材的激光切割 一、各种纸材料的激光切割一、各种纸材料的激光切割 1. 1.印刷纸张激光切割印刷纸张激光切割 在传统的冲裁切割过程中，裁刀在局部施加压力、刺穿纸张的过程中，无可避免地会使切割边缘的纸纤维松散、脱落。脱落的纤维落进打印机里，会在印刷平面上留下空白印记，松散的纤维还导致纸张的边缘出现轻微的隆起，纸张边缘的高低不平，使得高速处
25、理过程变得非常困难甚至不可能。激光切割实际上是使材料汽化的过程，不会留下松散的纤维，切割边缘非常干净、整齐。激光切割纸张的缺点是一次切割纸张迭层的总厚度不能太大，否则上下割缝宽度会不同。另外，激光切割必须压实纸张，否则中间空隙的存在，可能会使热气流横向运动引起明火。 2. 2.艺术剪纸的激光切割艺术剪纸的激光切割 艺术剪纸是中国的传统文化，随着新材料的出现，一些鲜亮厚实的材料用到剪纸上，传统的手工加工变得困难，而数控激光切割技术非常适合特殊材料新颖剪纸的制作，因为是计算机制图，方便灵活，图案丰富，加工迅速，并可个性化定制加工。 3. 3.特殊纸材料的激光切割特殊纸材料的激光切割 特殊纸制品的加
26、工中，如多层纸板、砂纸等，激光加工技术的优点更是明显。这些纸张较硬，用机械法切割会很快磨损砂轮，但加工材料的厚、硬、粗糙等特性，对于激光加工没有丝毫的影响，且精度很高，不会产生“飞边”现象。 不干胶标签切割加工不干胶标签切割加工 传统的机械切割法，标签纸的背胶很有可能黏在砂轮上，影响加工效果，并需要定期停机清洗砂轮。而激光切割不干胶卷标，却没有丝毫的影响。另外激光切割还有如下优点： (1)激光可以切割任意的曲线，并可随时改变切割图样，这些基本不增加工时和成本，而在传统机械加工中，变换图样需要制作不同图样的模板，耗时费力。 (2)可以通过精确控制激光功率，达到只切透表层纸张，丝毫不影响到下层黏性
27、材料的效果，加工灵活性高。 二、压克力及各种装饰板材的激光切割二、压克力及各种装饰板材的激光切割 1.建筑业的压克力模型制作建筑业的压克力模型制作 制作建筑业的压克力模型，目前已普遍采用激光切割模型的所有压克力零件，然后手工粘合模型。可用20100W的封离CO2激光器。 2.装潢用文字、图案及仪器面板的装潢用文字、图案及仪器面板的CO2激光切割激光切割 家具装饰及室内装潢用的薄树皮采用激光切割效果很好，不会产生沿着纹理的劈裂问题，可进行任意形状和复杂图案的切割。图19激光切割的实木美术字 激光切割的透明有机板不但精度高，而且切口光亮，适合制作仪器面板、衬板，或直接黏置有机玻璃器皿。图20激光切
28、割的透明有机板 三、激光切割在成衣业的应用三、激光切割在成衣业的应用 1. 1.服装打板的激光切割服装打板的激光切割 传统的服装生产技术是：服装设计，大型绘图及绘制打板，手工裁剪打板，依照打板切割服装面料，缝制。采用激光切割打板可以使和两道程序合成一道程序。而激光直接裁剪服装面料，将使、三道程序合成一道程序。所以，采用激光切割服装打板，不但可以提高生产效率，还可以提高产品的稳定性和一致性。 2.皮衣、皮件和商标的激光直接切割 手工量身裁衣，不但效率太低，而且成本和技术要求高，而激光裁剪可真正做到高效率的量身裁衣，并且切割精度高，对工人的技术要求相对较低。所以激光裁剪特别适合皮衣、皮件、风衣、雨
29、衣和商标等特殊面料的裁剪。图21激光切割的皮件 3 3特殊高质量零件的激光切割特殊高质量零件的激光切割 一、石油割缝管的激光切割一、石油割缝管的激光切割8,98,9 绕丝筛管在强压下通过大的斜度井或水平井的弯段时，将会与井壁或套管发生挤压或摩擦，不可避免地产生乱丝现象，引起防、护砂效果的降低或防砂失败。针对绕丝筛管的这一弊端，管、缝一体的割缝筛管便显示出优越性。割缝筛管的加工方法有多种：镶嵌金属块法、陶瓷刀片加工法、电化学与机械复合加工法、激光切割法等。 激光割缝筛管是在石油套管或油管上，用激光切割出多条依一定规格排列的缝隙，如纵向直排式或交错式缝隙，螺旋直排式或交错式缝隙。割缝宽度一般在0.
30、23.0mm，割缝截面为矩形、梯形或其他特殊形状，缝隙的布置可根据特定需要进行加工。 1.激光割缝筛管的特点激光割缝筛管的特点 (1)防砂性能好、无堵塞（梯形割缝），可提高采油品质。 (2)极大提高了割缝抗流砂的磨蚀作用。 (3)增大了过流面积，提高了产油量。 (4)筛管寿命长，减少修井，降低采油成本。 (5)割缝筛管激光加工效率高，品质优良，成本低。 2. 2.加工技术加工技术 (1)穿孔及切割过程：根据激光切割起始点对穿孔的要求，穿孔直径不大于缝宽（约0.2mm）。对较厚的管壁（约10mm），如用连续激光很难打出符合要求的孔，因此要求激光器必须带脉冲功能。先用低占空比超脉冲穿孔，然后逐步提
31、高占空比和速度，最后达到连续额定输出功率和最佳切割速度。 (2)割缝宽度的部份影响因素：割缝品质与切割速度有非常大的影响。激光功率的增加，在其他条件不变时，切缝宽度增加。实际上，激光功率增加，优质切割速度变大，优质切割速度范围也扩大，这样也提高了切割的品质稳定性和效率。 (3)焦点位置对割缝品质的重要影响：通常壁厚小于3mm时，焦点处于上表面切割。对于厚壁管，一般都要入焦切割，这样可增大注入到底面的能量，提高切割面的温度，降低熔渣的黏度，有利于排渣，可得到较好的切缝。 3. 3.割缝割缝 直线割缝，断面为矩形的窄缝（0.4mm），所需的缝宽可通过调整激光的功率、焦距、焦点位置、切割速度和氧气压
32、力等参数来获得。对壁厚9.17mm的N80级钢管，采用带脉冲的CO2气体激光切割，先用低占空比超脉冲穿孔，然后逐步提高占空比和速度，最后达到连续激光2kW输出，切割速度可达1m/min左右。图22割缝断面为矩形的窄缝激光割缝管样件 梯形割缝，断面为梯形缝的切割，每条缝是通过采用来回切两刀的方式，并且光轴不穿过管子的轴线，达到形成梯形的两个侧面。图23割缝断面为梯形的激光割缝管样件 割缝品质割缝品质 割缝面粗糙度为Ra6.3m，热影响硬化层厚度为0.3mm。图24管材专用激光切割系统 二、纸盒模切板的激光切割二、纸盒模切板的激光切割1010 传统的模切板制作，也就是在模板上开刀槽一重要技术，多以
33、手工锯割为主，而手工操作难以保证刀槽的宽度均匀和线性精度稳定，同时重复精度和定位精度更差。目前国内常使用的多层木胶合板（Multiplex）激光切割刀槽技术外，国外还流行使用三明治钢板（Sandwich）激光切割刀槽技术和纤维塑料板（Durama）高压水喷射开槽技术。模切板的寿命主要取决于切刀的品质和换刀次数。纤维塑料板和三明治钢板不仅精度高，克服了多层木胶合板易受湿度和温度变化影响的缺点，而且换刀次数分别为多层木胶合板的3倍和6倍以上。 1. 1.激光切割平面木模切板激光切割平面木模切板 模切板激光切割系统由激光加工头、计算器辅助设计与辅助制造(CAD/CAM)软件、计算器数控装置(CNC)
34、、工作台等组成。通过工作台与激光束的相对运动切割出图形，切割程序应依技术要求编写过桥、搭桥和切边框，确定模切板激光切割的最佳路径。图25激光切割的平面木模切板 2. 2.激光切割圆形模切板激光切割圆形模切板1010 圆形模切板在国内基本还采用传统的手工锯缝，精度和重复性很难达到要求，国内多家单位展开了激光切割技术的研究，解决圆形模切板激光切割的技术问题。与平压平模切机不同，圆压圆模切机除可与卷筒纸印刷机组成联机模切外，还能单独使用，具有生产效率高、速度快、模切压痕更精确的优点。图26激光切割的圆形模切板 图27模切板的激光切割机 三、激光切割用于层迭冲模模具的制造三、激光切割用于层迭冲模模具的
35、制造 激光切割普通合金工具钢冲模已用于工业生产。激光切割200片高强度钢板迭片式冲模（每片1.2mm）只需要10h，而采用传统的模具加工方法则需要100200h。为了降低激光切割含铬钢迭片式冲模切口的表面粗糙度，有人采用液氧、液氮等液体直接冷却板材的方法11。 为了提高模具的寿命，人们想到了用激光切割钢结硬质合金12作为迭片式冲模的最上一层。淬火约35mm厚度的GW50钢结硬质合金，含有40%50%WC，是一种高熔点、高硬度（硬度6872HRC）、高耐磨材料，切削加工很困难，导电性差，因此电火花加工效率低。激光切割显著地提高了硬化区的表面硬度达35%以上，割缝两边形成了一个热影响硬化区，深度达
36、0.10.25mm，硬度达11001600HV。 4 4三维激光切割三维激光切割 经过模具压轧成型后的汽车板金为立体形状，一般再加工较为困难，而五轴联动的CO2激光加工机可灵活地进行压边的切除和孔洞的开挖等空间曲线切割，充分显示出激光加工的优越性。 由于激光切割精度高，且快捷灵活，所以在切割金属薄板领域中仍有广泛的应用，如小汽车车身成型后开天窗等。 图28三维激光切割机 5 5脉冲固体激光的切割应用脉冲固体激光的切割应用 一、微喷水波导激光技术一、微喷水波导激光技术 微喷水波导激光（Water.jet guided laser）技术是通过一光学系统将激光束引入很细的水柱，水柱（水柱光波导）随即
37、将激光能量通过全内反射导向工件，而不需进一步聚焦。水柱可引导的光功率密度达到50MW/cm2，一般采用调Q的Nd：YAG激光器，平均输出功率为3070W。水柱喷射速度很快，水压强度很低，约100300Pa，金刚石喷嘴在射流中形成层流，以提供稳定的光波导。水柱直径50100m，最大流速约1L/min，通过50100mm的距离射向工件，其焦深极大。一般工作台定位精度小于5m。由于液化材料的排出更有效，同时减小了电浆屏蔽效应，其切割速度往往超过或相当于传统激光切割技术处理薄板（小于1mm）材料的速度。 微喷水波导激光技术，可以用于一些其他方式难以加工的材料的完全切割，如形状记忆合金、铬镍铁合金、硅、
38、砷化镓、锗、磷化铟和碳化硅芯片等的切割。图29微喷水波导激光切割芯片原理 二、微喷水波导激光切割芯片二、微喷水波导激光切割芯片 对于不同形状的电池，可供选择的制作方法还包括水切割和传统激光切割。水柱切割会导致裂纹、碎屑之类的损耗，传统激光切割产生余料、微裂等副作用，采用脉冲光纤激光器作为微喷水波导激光切割光源的效果好。如1060nm IPG脉冲光纤激光器，平均功率100W，脉冲宽度100ns，重复频率50kHz。切割50m厚度硅片的速度为200mm/s。图图3030SynovaSynova公司的微喷水波导激光公司的微喷水波导激光 切割机切割机图图3131微喷水波导激光切割微喷水波导激光切割10
39、0100 m m厚厚 硅芯片的不同图形照片硅芯片的不同图形照片图32微喷水波导激光切割180m厚GaAs/Ge芯片的不同图形照片 图33很强的初始脉冲会产生一个凹坑并破坏芯片 5.25.2紫外脉冲激光切割高精度模板紫外脉冲激光切割高精度模板 一、一、SMTSMT金属模板的激光切割金属模板的激光切割1818 在表面黏着组件之前，需要采用丝网印刷技术，将焊锡膏印刷到电路板的连接焊盘上。丝网印刷的模板（Stencil）是印刷电路板中表面安装屏蔽漏印焊膏用模板，目前主要是采用不锈钢材料制作，也有少量模板采用高分子聚合物材料制作。不锈钢模板的优点是开口形状稳定，寿命长。目前全球每年约需要100万片SMT
40、用模板，并以每年10%的增长率增加。模板除了用于一般的表面黏着生产之外，在模板丝网印刷技术中还用于多接脚芯片封装、陶瓷多层电路板、倒装芯片和有机发光二极管（OLEDs）的生产。图34紫外激光切割的高分子聚合物模板 1. 1.对对SMTSMT用印刷模板的要求用印刷模板的要求 (1)准确的开口位置和开口尺寸。 (2)开口有一定锥度，侧壁光滑、无毛边。 (3)材料厚度均匀，无应力。 (4)模板张力分布均匀。 2.SMT2.SMT模板的制作技术模板的制作技术 SMT金属模板主要有三种制作技术，化学腐蚀、激光切割和电铸成型工艺。化学蚀刻是传统技术，使用最广，但化学蚀刻的SMT模板开口呈碗状，焊膏的释放性
41、能不好，且开口极易堵塞，所以要经常清洗，此种模板的精度也比较低。同时化学刻蚀法还存在程序繁杂、加工周期长、腐蚀介质污染环境等缺点。图35化学蚀刻模板及其开口电子显微镜照片 为了防止模板阻塞，保证模板开口宽度与厚度的适当纵横比是重要的，一般要求纵横比大于1.5，还要保证开口面积比大于0.66，否则锡膏会保留在开孔内。因此更高密度的印刷模板必须选用更薄的材料，而采用电化学技术方法又难以实现。激光切割模板技术有着一定的优势，其开口也呈梯形。图36激光切割模板及其开口电子显微镜照片 3. 3.激光切割激光切割SMTSMT用金属模板的优越性用金属模板的优越性 (1)非接触加工，没有材料错位变形。 (2)
42、采用紫外激光加工，热影响区极小。 (3)切割边缘光滑（表面粗糙度不大于3m），无细小裂纹，无需进行后续处理。 (4)切孔的立体形状呈梯形（大约的角度），利于焊膏释放。 (5)焊锡膏印刷清晰、精确。 (6)切割边缘位置准确度高，精度好。 (7)焊盘增补、修改方便。 (8)加工周期短，加工速度最高可达每小时50000个开口。图37不锈钢模板切孔背面显微照片 LPKFLPKF紫外脉冲激光紫外脉冲激光SMTSMT用模板切割机的技术参数用模板切割机的技术参数 (1)高重复频率紫外调Q激光，激光波长355nm。 (2)可切割厚度50500m的各种尺寸不锈钢。 (3)可以切割包括圆角、方孔在内的任何形状的开
43、口。 (4)有效光斑直径20m。 (5)可以沿20m的切缝，加工出清晰的轮廓。 (6)可以切割小到30m的开口。 (7)强大的模板加工软件，500000个开口的模板数据处理在5min之内即可完成。图38LPKF激光模板切割机及不锈钢模板 二、紫外激光切割高质量的晶圆模板二、紫外激光切割高质量的晶圆模板 采用丝网印刷技术在晶圆材料上印刷焊锡球，是将晶圆金属凸点连接到电路载体上的一种低成本的技术，是基于芯片焊盘与PCB之间的直接接触的封装技术，用此技术可以生产高度小型化的封装产品。该技术需要复杂程度极高的印刷模板，开口数目多达几十万个，且对精度的要求，明显高于普通SMT用模板。制造这种模板需要使用
44、非常薄、厚度偏差特别小的金属箔材料。对于这种高精度模板采用电化学方法很难实现，而单模紫外脉冲激光小的焦点光斑（聚焦点可小到亚微米量级）、高的功率密度和小的脉冲能量，使其特别适合切割加工这种高精度的晶圆模板 图39紫外脉冲激光切割的晶圆模板 5.35.3脉冲激光的其他微加工应用脉冲激光的其他微加工应用 一、紫外脉冲激光切割电子陶瓷材料一、紫外脉冲激光切割电子陶瓷材料 陶瓷材料由于具备良好的电气、机械和热性能，在电路板和电子组件生产中得到越来越广泛的应用。图图4040紫外激光切割的紫外激光切割的630630 m m厚已烧厚已烧 结陶瓷基材结陶瓷基材图图4141355nm355nm的的DPSSDPS
45、S激光加工的样品激光加工的样品 二、脉冲激光切割硅片二、脉冲激光切割硅片 像晶闸管的硅片，基体比较厚，采用集成电路芯片硅衬底的分割所用的激光划片的方法很难分割开来，一般采用高峰值功率的激光束聚焦在硅片表面，使硅材料表面产生高温汽化，而打出连续的盲孔，形成沟槽状，通过进行多次刻划而直接切开硅片。脉冲激光多次刻划而直接切开（称为Silicon Wafer Cutting）主要选用准连续基模声光调Q激光器，波长1064nm，平均功率30W左右，调制频率1030kHz。 6 6连续固体激光的切割应用连续固体激光的切割应用 金属材料对YAG激光的吸收率比对CO2激光的吸收率大，且YAG激光器易采用光纤传
46、输，整机体积小、操作维修方便，所以是很有前途的金属加工光源。图42小型手动固体激光加工设备图43三维激光加工机器人 6.16.1大功率片状激光器大功率片状激光器 应用在汽车制造工业中的4000W连续片状固体激光器(Disk Laser)，通过200m的光纤耦合输出，能用于板材切割。图图44444000W4000W连续片状固体激光器连续片状固体激光器图图4545微加工用的微加工用的750W750W连续片状固连续片状固 体激光器体激光器 6.26.2大功率光纤激光器大功率光纤激光器 光纤激光器以其免维护、寿命长、环境温度影响小、光束模式好等优势，必将会开拓激光加工应用的新市场。 IPG公司700W
47、的单光纤激光器，光纤的输出端最佳的光束参数小于1.4mmmrad，远优于目前市场上的千瓦级的CO2激光器的输出光束参数（大于12mmmrad），并且具有极好的输出光束。在150mm长焦深的情况下，其光束锥度不大于，而焦点处光斑直径小于50m，因此可以为工作区提供输出高功率密度的能力。光纤激光器还有如下优点：转换效率高，可达20%以上。寿命长，甚至可达10104h，可长期连续运行。一体化设计，无需光学调校和维护，可在各种环境条件下运转。无机械稳定问题，灵活的光纤输出，特别适合于三维数控切割加工。 光纤激光器优异的光束品质使其能很好地聚焦，可成功地切割那些有很高反射率的材料，如铝、铜等金属材料。图46IPG公司的单光纤激光器
