1、第三章第三章 激光加工技术激光加工技术 3.激光表面改性技术激光表面改性技术2.激光焊接激光焊接1.激光打孔和切割激光打孔和切割4.激光清洗技术激光清洗技术13.1 激光打孔和切割激光打孔和切割1、激光打孔 在元件上开个小孔是件很常见的事。但是，如果要求在坚硬的材料上，比如在硬质合金上打大量0.1毫米到几微米直径的小孔，用普通的机械加工工具怕是不容易办到，即使能够做，加工成本也会很高。现有的机械加工技术在材料上打微型小孔是采用每分钟数万转或者几十万转的高速旋转小钻头加工的，用这个办法一般也只能加工孔径大于0.25毫米的小孔。在今天的工业生产中往往是要求加工直径比这还小的孔。比如在电子工业生产中
2、，多层印刷电路板的生产，就要求在板上钻成千上万个直径约为0.10.3毫米的小孔。显然，采用刚才说的钻头来加工，遇到的困难就比较大，加工质量不容易保证，加工成本不低。早在本世纪60年代后，科学家在实验室就用激光在钢质刀片上打出微小孔，经过近30年的改进和发展，如今用激光在材料上打微小直径的小孔已无困难，而且加工质量好。打出的小孔孔壁规整，没有什么毛刺。打孔速度又很快，大约千分之一秒的时间就可以打出一个孔。2激光打孔原理激光打孔原理：加工头将激光束聚焦在材料上需加工孔的位置，适当选择各加工参数，激光器发出光脉冲就可以加工出需要的孔。31）、功率密度要求 106109W/cm2的脉冲激光2）、孔深)
3、(0200vmbLLTTCaEd（激光打孔宜采用高功率密度的脉冲激光打孔。）Tb沸点温度沸点温度T0初始室温初始室温a0光斑半径光斑半径43）、打孔质量的影响因素（脉宽和聚焦位置）怎样用好激光“钻头”？A、脉冲能量一定时：脉宽增加，功率密度下降，融熔了的材料没有办法充分汽化，却把在它附近的材料加热，使熔化层增厚，结果，被打出来的小孔在形状大小上就不那么规整。如果使用的是高重复率激光器输出的光脉冲，这时每个光脉冲平均的能量并不很高，但由于光脉冲的宽度窄，功率水平却不低。于是每个激光脉冲在材料上形成的融熔体不多，主要是发生汽化。由于使小孔附近的材料加热时融熔体很少，因而也就不出现在用单脉冲打孔时出
4、现的事。打出的小孔形状和大小就规整得多了。B、焦点位置的选择：对于比较厚的材料，激光束焦点位置应位于工件的内部，如果材料比较薄，激光束焦点需放在工件表面的上方。这样的安排会让打出来的小孔上下大小基本上一致，不出现“桶状”的小孔。5离焦量对打孔质量的影响 激光打孔中离焦量对打孔的影响激光打孔中离焦量对打孔的影响64）、激光打孔的应用陶瓷0.5mm孔激光打孔 7 叶片是喷气涡轮发动机的重要部件之一。工作状态下，该部件在高温燃气中高速旋转。为提高叶片的耐高温性能，人们正在积极研制一种新型叶片，该叶片具有特殊的中空结构，并在表面用激光打孔工艺制作了一系列与中空部分贯通的小孔。工作时向叶片中空部分不断灌
5、入冷气，经小孔泄出后在叶片表面形成冷气保护膜。这样叶片虽处于高温燃气之中，其本身温度相对而言并不很高。显然，这种设计极大地改善了叶片的耐高温性能，有益于延长叶片的使用寿命。叶片0.5mm小孔激光打孔 8过滤板82万个0.7mm孔(3mm厚不锈钢板)国家电力公司防止电力生产重大事故的二十五项重点要求第11.3.1.1及11.3.1.2条发电机内冷水系统滤网需要将钢丝、铜丝滤网等更换为激光打孔的不锈钢板新型水过滤器滤网，防止滤网破碎进入发电机线圈。采用了高强度激光打出的微孔不锈钢网板，可阻挡杂质及颗粒进入发电机线棒，防止杂质堆积造成线棒阻塞的事故发生。9治疗冠心病的最后一招心肌激光打孔治疗冠心病的
6、最后一招心肌激光打孔 心肌激光打孔术的“灵感”源于鳄鱼、蛇等两栖类动物。早在1933年就有科学家发现两栖类动物的心外膜冠脉系统不发达，心肌呈海绵状，内有大量的管状腔隙及窦状隙与心腔相通。两栖类动物的心肌血供并非来自冠脉系统，而是左室腔内的氧饱和血通过心肌内腔隙直接灌注到心肌。1965年医生们试着采用针头穿刺心肌产生心肌内孔道以达到心肌血运重建的目的。80年代以后，应用激光进行心肌血运重建获得成功。激光心肌血管重建手术分为两类：一是心外膜法，即开胸式，是从心外膜向心腔内打孔，直至将心肌打穿形成隧道。另一种是心内膜法，它是将激光通过光导纤维从股动脉进入左心室，从左心室心内膜向外打孔形成隧道，但不需
7、要打穿心肌。它可以做到创伤很小，在心内科即可操作。10 激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。A、金刚石拉丝模的激光打孔 激光加工金刚石模具，不仅能节省许多昂贵的钻石粉，而且与常规的机械超声加工法相比，提高了加工效率。用机械钻
8、孔机打通一个20点的金刚石需要24小时，而用激光仅需10分。单脉冲激光打孔的孔深小于1mm，对应的孔径为0.0050.4mm；多脉冲激光打孔的孔深可达3mm，最大孔径可达1mm。11B、脉冲YAG激光打精密孔 例如用脉冲YAG激光能在厚度为1mm的珍珠宝石上打出16个直径为0.2mm的高精度系列孔，加工精度为0.03mm，孔间隔为0.01mm，加工速率为每分钟打一个孔。用脉冲YAG激光对0.005mm厚的钛和钼薄箔进行打孔，孔径可达0.02mm；用脉冲YAG激光对0.07mm厚的氧化铝陶瓷材料打孔，孔径为0.15mm，打孔精度为 0.2mm。C、脉冲CO2激光打孔 像钢铁之类的金属材料对YAG
9、波长激光吸收率较高，故宜采用YAG激光打孔。但是，陶瓷、玻璃和塑料之类的非金属材料对CO2激光具有较高的吸收率。因此对这类非金属材料适合采用脉冲CO2激光打孔。此外普通香烟过滤嘴上的小孔、喷雾器阀门上的小孔，也在采用激光加工。喷雾器罐和瓶子颈部都有一个用来控制压缩物质（比如除臭剂、油料或者其他液体）的流量，阀门使用的性能就由喷雾器上这只小孔来决定了。这只小孔的直径为10微米到40微米，用其他机械加工方法不那么好做，用激光来加工，能保证质量，每小时还可以打4万个小孔呢！12132、激光切割、激光切割1）、激光切割工作原理 激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超过激光阈值的激光功率密度
10、的前提下，激光束的能量以及活性气体辅助切割过程所附加的化学反应热能全部被材料吸收，由此引起激光作用点的温度急剧上升，达到沸点后材料开始气化，并形成孔洞，随着光束与工件的相对运动，最终使材料形成切缝，切缝处的熔渣被一定的辅助气体吹除。142）、激光切割的特点G、噪声低，无公害A、切割速度快，热影响区小。热影响层深度 0.05-0.1mm，热畸变形小。F、可在大气中或任意气体环境中进行切割，不需真空装置。E、激光束聚焦后功率密度高，能切割各种材料，如高熔点材料、硬脆材料。C、无刀具磨损，没有接触能量损耗，也不需更换刀具，易于实现自动控制。B、切割质量好。切口边缘平滑，无塌边，无切割残渣。对轮廓复杂
11、和小曲率半径等外形均能达到微米级精度的切割。割缝窄。一般为0.1-1mm。153）激光切割分类 汽化切割:工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为108/cm2左右，是无熔化材料的切割方式，适用木材、塑料等。熔化切割:激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为107/cm2左右，适合金属材料。氧助熔化切割:金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体压力将氧化物从切
12、缝中吹掉。适用金属材料。16 聚焦能力与它光束模式有关。基模(TEM00)，光斑内能量呈高斯分布，几乎可把光束聚焦到理论上最小的尺寸。而高阶或多模光束的能量分布较扩张，经聚焦的光斑较大而能续密度较低，用它来切割材料犹如一把钝刀。4)、影响激光切割质量的因素激光切割质量包括：影响激光切割质量的因素：割缝入口处轮廓清晰，割缝窄、割缝边的热影响层小，无切割粘渣，切割表面光洁等。激光功率、激光振荡模式、焦点位置、辅助气体和切割速度等。A、激光功率：激光功率增加、其切割速度和工件的切割厚度增加，但切割效率降低。确定切割速度和切割厚度的主要参数是激光的功率和材料的性能。B、光束模式17 焦点位置对熔深和熔
13、池形状的影响很大。这种影响对切割虽不像对焊接那样大，但无疑影响切割质量。图所示为采用激光切割5mm厚高合金钢板时的焦点价置与切割缝宽度的关系曲线。由图可知；在焦距位置距工件表面1mm处所得到的割缝最窄。透镜焦长小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。它适用于簿件高速切割，此时应使焦距的位置维持恒定不变：长焦透镜的聚焦光斑功率密度低，但其焦深大，可用来切割厚材料：板材越厚，焦点位置的正常范围越窄。C、焦点位置18 与金属产生放热化学反应，增加能量强度。从切割区吹掉熔渣，清洁切缝；冷却切缝邻近区域，减小热影响尺寸；保护聚焦透镜，防止燃烧产物沾污光学镜片。D、辅助气体和喷嘴辅助气体的作用是：喷嘴的
14、设计原则喷嘴孔尺寸必须容许光束顺利通过，避免孔内光束与喷嘴接触。喷嘴喷出的辅助气流必须能使去除切缝内熔融物和加强切割作用有效耦合。气流量与喷嘴尺寸关系nPKdL219E、切割速度:在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口表面粗糙度也有较大影响。激光切割对气流的基本要求是进入切口的气流量要大，速度要高，以便有充足的氧气使切口材料充分进行放热反应，并有足够的动量将熔融材料喷射带出。而这些都与气流作用在工件表面的滞止压力有关，可称之为切割压力。为了得到高的切割速度和切口质量，切割压力应该大。当Pn/Pa=3，喷出超音速气流205)、金属材料激光切割A、激光器：、激光器：快轴流快轴流C
15、O2激光器激光器B、切割参数：、切割参数：21C、影响激光切割质量的因素：、影响激光切割质量的因素：激光切缝表面的切缝宽激光切缝表面的切缝宽度和热影响区均随激光切度和热影响区均随激光切速的增加而减小，并在切速的增加而减小，并在切缝下表面切缝的宽度和热缝下表面切缝的宽度和热影响区最小。影响区最小。22切缝宽度和热影响区与激光切速关系。切缝宽度和热影响区与激光切速关系。23焦点位置对切口粗糙度的影响焦点位置对切口粗糙度的影响24喷嘴的形状和大小及吹氧压力对激光切割质量有较大影响喷嘴的形状和大小及吹氧压力对激光切割质量有较大影响25吹气压力与切割速度关系吹气压力与切割速度关系26几种切割方式的比较几
16、种切割方式的比较276 6）、非金属激光切割）、非金属激光切割A、激光器：、激光器：CWCO2激光器，不超过激光器，不超过500w的中等激光功率。的中等激光功率。B、所需的激光功率：、所需的激光功率：QWlvP Q材料蒸发所需的能量（材料蒸发所需的能量（KJ/cm3）W切缝宽（切缝宽（cm）L板厚（板厚（cm）V切割速度（切割速度（cm/s）28 对于非金属材料，对于非金属材料，Q值可以小于值可以小于0.4kJcm-3，而对于，而对于玻璃类材料，玻璃类材料，Q值高于值高于100kJcm-3。29 到目前为止，激光可用来切割木材、纸张、布匹、塑料、橡胶、复合材料、玻璃及陶瓷等非金屑材料。例如用激
17、光切割木材可大大减少噪声。用激光切割纸张，切速高达15m/s。激光用于切割航空行业中的复合材料也越来越普遍。激光裁剪布料，不仅可省料15，且裁纹质量好，裁剪后的布料无毛边。化纤衣料的激光裁剪不需要收边，可以省去拷边工序。用计算机控制的激光切割机，可将所有衣服的祥式与尺寸存储到磁盘上，按一下控制健就可以得到所需的布料。例如休斯公司开发的激光裁剪机，裁剪速度达61m/min，每小时激光可裁剪4050套服装。目前美、英服装公司均采用激光裁剪机裁剪布料。非金属材料的激光切割应用前景303.5、激光打孔技术、激光打孔技术1 1、激光打孔的物理机制、激光打孔的物理机制2 2、激光打孔的影响因素、激光打孔的
18、影响因素3 3、激光打孔的特点与应用、激光打孔的特点与应用4 4、激光打孔的新技术、激光打孔的新技术思考：思考：1 1、如何打一个锥度非常小的小孔？、如何打一个锥度非常小的小孔？2 2、连续激光能不能打孔，为什么？、连续激光能不能打孔，为什么？311、激光打孔的物理机制、激光打孔的物理机制 金属材料被功率密度为金属材料被功率密度为10106 610109 9W/cmW/cm2 2的激光辐射的激光辐射时，因激光功率密度很高，会使材料表面的温度超过时，因激光功率密度很高，会使材料表面的温度超过沸点而产生沸点而产生熔化或者汽化熔化或者汽化，并将表面被氧化的分裂混，并将表面被氧化的分裂混合物喷射出来。
19、合物喷射出来。在激光脉冲末尾，激光功率密度降低，分裂的喷在激光脉冲末尾，激光功率密度降低，分裂的喷射物减弱。随着分裂物的喷射，汽化以一定的速度向射物减弱。随着分裂物的喷射，汽化以一定的速度向材料内部移动，材料被汽化去除，孔被逐渐加深，随材料内部移动，材料被汽化去除，孔被逐渐加深，随着孔的直径和深度的增加，分裂物相继被蒸汽压去除，着孔的直径和深度的增加，分裂物相继被蒸汽压去除，最后形成一个深孔。最后形成一个深孔。32Increasing of numbers of laser pulse33激光打孔分类激光打孔分类单脉冲单脉冲多脉冲多脉冲掩膜掩膜轮廓迂回法轮廓迂回法342、激光打孔的影响因素、激
20、光打孔的影响因素（1 1）脉冲能量）脉冲能量（2 2）脉冲宽度）脉冲宽度（3 3）脉冲波形）脉冲波形（4 4）激光模式）激光模式（5 5）聚焦条件（焦距，离焦量）聚焦条件（焦距，离焦量）（6 6）材料特性（物理特性、外形尺寸）材料特性（物理特性、外形尺寸）（7 7）多脉冲打孔）多脉冲打孔（8 8）激光打孔的辅助工艺）激光打孔的辅助工艺35（1）脉冲能量）脉冲能量310Eh 310Ed)(0200vmbLLTTCaEhL Lm m，L Lv v 分别为材料的熔化和汽化潜热。这时材料的去除分别为材料的熔化和汽化潜热。这时材料的去除质量即为质量即为aa0 02 2d d.C:C:比热容比热容,T,T
21、b b:熔点温度熔点温度,T,T0 0:室温室温,E,E0 0:脉冲能量脉冲能量忽略热传导和表面发射忽略热传导和表面发射36（2）脉冲宽度）脉冲宽度脉宽的选择由孔的要求而定：脉宽的选择由孔的要求而定：打深而小的孔，宜采用较长的脉冲打深而小的孔，宜采用较长的脉冲 打大而浅的孔，宜采用较短的脉冲打大而浅的孔，宜采用较短的脉冲 高质量的孔，宜采用较短的脉冲高质量的孔，宜采用较短的脉冲 导热性差的材料，宜采用较短的脉冲导热性差的材料，宜采用较短的脉冲 脉宽增大，较多的热作用于材料的非破坏性加热，使材脉宽增大，较多的热作用于材料的非破坏性加热，使材料变形大，热应力大，易出现裂纹，一般采用料变形大，热应力
22、大，易出现裂纹，一般采用0.30.7ms0.30.7ms脉宽脉宽371 1 低脉冲能量和长脉冲时间低脉冲能量和长脉冲时间The pulse power density is lower 106W/cm2 and pulse duration is around msus.The heating,melting and evaporation are describing the whole process of the laser drilling.The thermal effects play the main role.382 2 高脉冲能量和短或超短脉冲时间高脉冲能量和短或超短脉冲时间
23、The pulse power density is higher 107W/cm2 and pulse duration span from approximately 100ps100ns.Irrespective of the chemical,optical or thermo-physical properties of a large variety of materials including diamond,ceramics,plastics and steel,the evolution of the drilling process shows a quite genera
24、l behavior.39（3）脉冲波形）脉冲波形应尽量选择前后沿陡，激光光强逐步增大的波形打孔，应尽量选择前后沿陡，激光光强逐步增大的波形打孔，一般要求激光的前沿控制在一般要求激光的前沿控制在8 810us10us，即可获得较好的入口，即可获得较好的入口，后沿短于后沿短于8us8us可以获得高的内壁质量。尤其对于小于可以获得高的内壁质量。尤其对于小于50us50us的的小孔，更增加后沿的陡度，防止孔被液相物质堵塞。小孔，更增加后沿的陡度，防止孔被液相物质堵塞。40（4）激光模式）激光模式frs 激光发散角主要影响进出口孔径差和锥度。通常，发激光发散角主要影响进出口孔径差和锥度。通常，发散角增
25、大，孔的锥度增大，激光束聚焦光斑直径也增大。散角增大，孔的锥度增大，激光束聚焦光斑直径也增大。聚焦半径近似公式聚焦半径近似公式聚焦深度近似公式聚焦深度近似公式2sr模式越低，发散角越小，基模发散角最小，采用基模进行模式越低，发散角越小，基模发散角最小，采用基模进行打孔锥度要小。打孔锥度要小。41（5）聚焦条件）聚焦条件焦点在工件表面，锥度大；焦点在工件表面，锥度大；焦点在工件中间，打孔质量有好有坏；焦点在工件中间，打孔质量有好有坏；一定的正离焦，打孔效果好。一定的正离焦，打孔效果好。42不锈钢材料，不锈钢材料，3mm的试验的试验43（6）材料特性）材料特性 在激光功率密度在激光功率密度F F较
26、低时，铝的热较低时，铝的热扩散损耗比铁高，铝的孔深比铁浅。扩散损耗比铁高，铝的孔深比铁浅。随着随着F F的增大，材料会很快达到沸点，的增大，材料会很快达到沸点，加热速度快，这时热传导损耗可以忽加热速度快，这时热传导损耗可以忽略，因为铝有的汽化潜热，则铝的汽略，因为铝有的汽化潜热，则铝的汽化去除量比铁大，故铝的孔深比铁要化去除量比铁大，故铝的孔深比铁要深。深。采用激光打孔宜采用高功率密度的采用激光打孔宜采用高功率密度的激光脉冲打孔。激光脉冲打孔。44（7）多脉冲打孔）多脉冲打孔 单一脉冲打孔的孔深单一脉冲打孔的孔深有限，仅为孔径的有限，仅为孔径的3 34 4倍，倍，且精度和重复性难以控制，且精度
27、和重复性难以控制，一般采用多脉冲打孔，多脉一般采用多脉冲打孔，多脉冲打孔可以控制孔形畸变，冲打孔可以控制孔形畸变，热影响区扩大，表面开裂等热影响区扩大，表面开裂等不稳定因素。不稳定因素。45（8）激光打孔辅助工艺）激光打孔辅助工艺 改善孔的形状改善孔的形状 （a a）涂覆表面张力低的液相薄膜，减少沉积物，）涂覆表面张力低的液相薄膜，减少沉积物，减少孔的锥度。减少孔的锥度。（b b）覆盖屏蔽层，使激光打孔的锥度在屏蔽层）覆盖屏蔽层，使激光打孔的锥度在屏蔽层上。上。（c c）吹入压缩空气，提高表面质量）吹入压缩空气，提高表面质量 （d d）工件下面安装反射镜）工件下面安装反射镜 （e e）多脉冲打
28、孔，周期性把激光束聚焦到孔底）多脉冲打孔，周期性把激光束聚焦到孔底某个位置某个位置 （f f）激光打孔后，辅助修正。）激光打孔后，辅助修正。4647484、激光打孔特点与应用、激光打孔特点与应用 质量优势质量优势技术特质技术特质实际应用实际应用 1 1激光可以打细小深孔激光可以打细小深孔 激光聚焦直径可至激光聚焦直径可至0.30.3毫米毫米 特殊喷嘴和冷却通道特殊喷嘴和冷却通道 2 2在斜面上打斜孔、异在斜面上打斜孔、异型孔型孔 激光空中传输激光空中传输 涡轮发动机叶片打孔涡轮发动机叶片打孔 3 3对极硬的陶瓷零件打对极硬的陶瓷零件打孔孔 激光打陶瓷孔无技术难激光打陶瓷孔无技术难度度 钢铁业耐
29、高温火焰喷钢铁业耐高温火焰喷嘴嘴 4 4打孔准确度高，性能打孔准确度高，性能可靠可靠 激光打孔无工具磨损激光打孔无工具磨损 燃气机喷嘴打孔燃气机喷嘴打孔 5 5激光打高密度细小群激光打高密度细小群孔孔 激光可用高速飞行法打激光可用高速飞行法打孔孔 精密化工，制药用筛精密化工，制药用筛板板4950激光打孔应用实例（激光打孔应用实例（1）陶瓷0.5mm孔发动机叶片0.5mm小孔51激光打孔应用实例（激光打孔应用实例（2）过滤板82万个0.7mm孔(3mm厚不锈钢板)过滤板激光焊接打孔切割52飞机部件的激光打孔飞机部件的激光打孔53Material such as steel,nickel allo
30、ys,aluminum,copper,brass,borosilicate glass,quartz,ceramic,plastic and rubber are all being successfully laser drilled.54Representative ApplicationvDual pulse laser drillingvWater-jet laser drillingvTrepanning laser pulse drilling55Process of dual pulse laser drilling Phase IPhase IIPhase I:Twin pul
31、se interval 30150ns is irradiating on the target surface.Phase II:The first pulse contact on the target,plasma,molten and vaporized metal appeared immediately.56Dual pulse laser drilling Sierra series solid state laser drilling systemOutstanding advantage:high efficiency;high speed;high quality57Pha
32、se IIIPhase IVPhase III:After 30ns150ns,the plasma disappeared and molten metal is existing on the surface of the material.Phase IV:The second pulse arrived.Pulse energy is absorbed by molten metal which became a new energy to drilling the hole.58596061激光强度：激光强度：激光强度，功率密度：激光脉宽激光聚焦光斑激光单脉冲能量:PsEL激光电场：
33、激光电场：.sEPL光速：真空介电常数激光电场:410:2270020ccEEcP62以波长为10.6m的钕玻璃激光为例l假设激光强度：假设激光强度：215/10cmWP 如此大的电场足以从原如此大的电场足以从原子直接激发电子子直接激发电子l 实际上，由于靶物质中的杂质、晶格缺陷使得实际上，由于靶物质中的杂质、晶格缺陷使得P P远远小于上述值时，产生自由电子，通过串级电离形成小于上述值时，产生自由电子，通过串级电离形成等离子体几百至几千电子伏等离子体几百至几千电子伏)/(1089.810mVE63202EcP2700410:ccPE：真空介电常数光速激光强度激光电场激光电场激光电场64逆韧致吸
34、收逆韧致吸收逆韧致吸收逆韧致吸收Inverse Inverse BremsstrahlungBremsstrahlung碰撞吸收碰撞吸收 CollisionalCollisional Absorption Absorptionl 韧致吸收：一个带电粒子与另外一个粒子碰撞发韧致吸收：一个带电粒子与另外一个粒子碰撞发射光被称作韧致辐射射光被称作韧致辐射l 逆韧致辐射：电子与离子或者电子相互碰撞时吸逆韧致辐射：电子与离子或者电子相互碰撞时吸收光子。收光子。653.6、激光切割技、激光切割技术术1 1、激光切割的原理及分类、激光切割的原理及分类2 2、激光切割的影响因素、激光切割的影响因素3 3、激光
35、切割系统、激光切割系统4 4、激光切割的特点、激光切割的特点5 5、激光切割的典型应用、激光切割的典型应用661、激光切割的原理、激光切割的原理 激光切割是利用聚焦的高激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，在功率密度激光束照射工件，在超过超过激光域值激光域值的激光功率密度的激光功率密度的前提下，的前提下，激光束的能量激光束的能量以及以及活性气体辅助切割过程所附加活性气体辅助切割过程所附加的的化学反应热能化学反应热能全部被材料吸全部被材料吸收，由此引起激光作用点的温收，由此引起激光作用点的温度急剧上升。达到度急剧上升。达到沸点沸点后材料后材料开始开始汽化汽化，并形成，并形成孔洞孔洞，随着
36、，随着光束与工件的光束与工件的相对运动相对运动，最终，最终使材料形成使材料形成切缝切缝，切缝处的，切缝处的熔熔渣渣被一定的辅助气体被一定的辅助气体吹除吹除。激光切割可分为激光切割可分为汽化切割汽化切割，熔化切割熔化切割和和氧助燃切割氧助燃切割。以氧。以氧助燃切割为应用最广。从切割助燃切割为应用最广。从切割不同材料可分为不同材料可分为金属激光切割金属激光切割和和非金属激光切割非金属激光切割。Cutting directionAssistant gasnozzleSpace between nozzle&workpieceMelt materialCutting slotGas flow67(1)
37、汽化切割汽化切割 汽化切割是激光束加热工件至沸点以上的温度，部分材汽化切割是激光束加热工件至沸点以上的温度，部分材料以蒸汽形式逸出，部分材料作为喷射物从切割底部吹走，料以蒸汽形式逸出，部分材料作为喷射物从切割底部吹走，其所需的激光切割能量是其所需的激光切割能量是熔化切割的熔化切割的1010倍倍。其机制如下：其机制如下：激光加热材料，部分反射，部分吸收，激光加热材料，部分反射，部分吸收，材料反射率随温度升高而下降。材料反射率随温度升高而下降。激光作用区温升快，足以激光作用区温升快，足以避免热传导造成熔化。避免热传导造成熔化。蒸汽从工件表面以近似声速飞快逸蒸汽从工件表面以近似声速飞快逸出。出。汽化
38、切割只应用于那些汽化切割只应用于那些不能熔化的木材，塑料和碳素不能熔化的木材，塑料和碳素等等材料。材料。飞秒激光切割飞秒激光切割属于气化切割属于气化切割.68(2)熔化切割熔化切割 熔化切割是当激光束功率密度超过一定值时，熔化切割是当激光束功率密度超过一定值时，工件内部蒸发形成孔洞，然后与光轴式吹以辅助工件内部蒸发形成孔洞，然后与光轴式吹以辅助惰性气体，把孔洞周围的熔融材料驱除带走。惰性气体，把孔洞周围的熔融材料驱除带走。熔化切割的机制为：熔化切割的机制为：激光束照射工件，除激光束照射工件，除反射外其余能量加热材料并蒸发成小孔。反射外其余能量加热材料并蒸发成小孔。一旦一旦小孔形成，它以黑体全部
39、吸收光能，小孔被熔化小孔形成，它以黑体全部吸收光能，小孔被熔化金属壁所包围，依靠蒸汽流高速流动使熔壁保持金属壁所包围，依靠蒸汽流高速流动使熔壁保持相对稳定。相对稳定。熔化等温线贯穿工件，依靠辅助吹熔化等温线贯穿工件，依靠辅助吹气将熔化材料吹走。气将熔化材料吹走。随工件的移动，小孔横移随工件的移动，小孔横移一条切缝。一条切缝。69(3)氧助熔化切割氧助熔化切割氧助熔化切割的机理是：氧助熔化切割的机理是：在激光照射下，材料达到在激光照射下，材料达到TmTm温度，随之与氧接触，发温度，随之与氧接触，发生剧烈燃烧反应，放出大量热量，在激光和此热量共同作用生剧烈燃烧反应，放出大量热量，在激光和此热量共同
40、作用下材料内部形成充满蒸汽的小孔，小孔周围被熔融气体包围；下材料内部形成充满蒸汽的小孔，小孔周围被熔融气体包围；蒸汽流动使周围熔融金属壁向前移动，并发生热量和蒸汽流动使周围熔融金属壁向前移动，并发生热量和物质转移；物质转移；氧和金属的燃烧速度受燃烧物质转换成熔渣的限制，氧和金属的燃烧速度受燃烧物质转换成熔渣的限制，氧气扩散通过熔渣达到点火前沿的速度，氧气流速越高，燃氧气扩散通过熔渣达到点火前沿的速度，氧气流速越高，燃烧的化学反应越快；烧的化学反应越快；在未达到燃烧温度的区域，氧气流作为冷却，缩小切在未达到燃烧温度的区域，氧气流作为冷却，缩小切割热影响区。割热影响区。氧助切割存在氧助切割存在激光
41、辐射和化学反应热激光辐射和化学反应热两个热源。两个热源。702、激光切割的影响因素、激光切割的影响因素（1 1）材料特性）材料特性（2 2）激光模式）激光模式（3 3）切割速度）切割速度（4 4）焦点位置）焦点位置（5 5）辅助气体压力）辅助气体压力除了以上除了以上4 4个最重要的变量以外，可能对切割质量产生影响的因个最重要的变量以外，可能对切割质量产生影响的因素还包括光束参数（素还包括光束参数（模式和功率模式和功率、激光束的偏振激光束的偏振、激光束的激光束的聚焦聚焦、脉冲波光束脉冲波光束）和）和工件特性工件特性（材料表面反射率、材料表（材料表面反射率、材料表面状态），以及割炬和喷嘴、外光路系
42、统、工件固定等其他面状态），以及割炬和喷嘴、外光路系统、工件固定等其他因素。因素。71(1)材料特性材料特性72（2）激光横向模式Gaussian modeLow-order modeMultimodeSurface heat treatmentCutting or welding73激光输出方式-PRC74(3)激光功率与切割速度激光功率与切割速度 对于一定板厚，通常激光切对于一定板厚，通常激光切割速度随激光功率呈线形增加。割速度随激光功率呈线形增加。75 切缝宽度和切缝宽度和热影响区均随激热影响区均随激光切速的增加而光切速的增加而减少，并且切缝减少，并且切缝下表面的宽度和下表面的宽度和热影
43、响区最小。热影响区最小。对于中碳钢，最对于中碳钢，最好的切割质量和好的切割质量和最小的热影响区最小的热影响区为为P/VP/V70J.mm70J.mm-1-1。76（4）切割粗糙度）切割粗糙度 对于金属激光切割对于金属激光切割的切口粗糙度，一的切口粗糙度，一般是上半段最好，般是上半段最好，中段次之，下段较中段次之，下段较差。切口粗糙度与差。切口粗糙度与切割的切口有关。切割的切口有关。77（5）焦点位置对表面粗糙度的影响）焦点位置对表面粗糙度的影响 工件至聚焦透镜的距离与焦距的比值工件至聚焦透镜的距离与焦距的比值a0a0在在0.988 a0 0.988 a0 1.0031.003范围。例如，激光切
44、割范围。例如，激光切割2.3mm2.3mm的低碳钢板时，采用负离的低碳钢板时，采用负离焦焦0.30.3至至0.7mm0.7mm为佳为佳 。78（6）聚焦镜）聚焦镜79（7）喷嘴直径与切割速度的关系）喷嘴直径与切割速度的关系 氧气流应以超声氧气流应以超声速的收敛型气流最速的收敛型气流最好，以免切口下段好，以免切口下段扩大。扩大。对某种具体激光对某种具体激光切割存在一个最佳切割存在一个最佳的喷嘴直径。在作的喷嘴直径。在作者的实验条件下，者的实验条件下，喷嘴直径以喷嘴直径以1.5mm1.5mm最最好。好。80（8）吹氧压力的影响）吹氧压力的影响 在不同激光功在不同激光功率及不同厚度情率及不同厚度情况
45、，吹氧压力也况，吹氧压力也存在一个最佳值。存在一个最佳值。81（9）激光偏振态对激光切割的影响）激光偏振态对激光切割的影响由图中可看到，采用圆偏振光，切口平直，与切割方向无关由图中可看到，采用圆偏振光，切口平直，与切割方向无关 。切割系统一般加切割系统一般加4545度反射的圆偏振镜。度反射的圆偏振镜。823、激光切割特点、激光切割特点质量优势质量优势 技术特质技术特质 实际应用实际应用 1 1切割缝边缘热切割缝边缘热影响区小影响区小 激光切割需要的激光切割需要的总能量少总能量少 大型电机硅钢铁大型电机硅钢铁芯下料芯下料 2 2激光切割的切激光切割的切缝窄小缝窄小 激光切割的能量激光切割的能量高
46、度集中高度集中 石油管的过滤缝石油管的过滤缝切割切割 3 3切割精度高、切割精度高、工件变形小工件变形小 激光聚焦光斑的激光聚焦光斑的直径小直径小 汽缸垫的切割成汽缸垫的切割成型型 4 4切割的重复性切割的重复性好，误差小好，误差小 数控精密切割数控精密切割 切割复杂形状的切割复杂形状的零件零件 5 5激光切割面清激光切割面清洁洁,不挂渣不挂渣 切割的物理冶金切割的物理冶金过程完善过程完善 装潢用切割成型装潢用切割成型 金刚石锯片切割金刚石锯片切割838485（2）PRC STS 轴快流 CO2 laser from U.S.TEM 00 Mode(高斯模式)1000-3000 WattsD
47、Mode(Dimodal Beam)1000-4000 WattsQ Mode(Quadramodal Beam)2500-6000 WattsSTS1000 STS1500 STS1800 STS2000 STS2200 STS2500 STS3000 STS3500 STS4000 STS5000 FH6000Type:86(3)华工恒信Lance 轴快流激光器LANCE Series Fast Flow CO2 Lasers Laser Mode TEM00+01(1000-4000 Watts)87v CNC 控制系统Self-righting systemMoving work st
48、ationHand-hold telecontrolIllumination of work areaChinese Windows circumstance Function of re-trackModem diagnose and maintainFar space diagnose and service Expert cutting apparatus systemDialogic figure display and editgrating holding systemInner mistake notesMultitask working availableAlarm equip
49、mentFigure store and so on88激光切割过程激光切割过程89激光切割录像激光切割录像90激光切割样品激光切割样品191激光切割样品激光切割样品292激光切割组合木板激光切割组合木板93激光切割消音金刚石锯片激光切割消音金刚石锯片94激光切割消音金刚石锯片激光切割消音金刚石锯片95锯片基体激光切割优化工艺参数锯片规格锯片规格材料厚度材料厚度（mmmm）离焦量离焦量（mmmm）激光功激光功率（率（W W）切割速度切割速度(m/min)(m/min)氮气压力氮气压力（MPaMPa）1051051.31.3-0.33-0.339009004 40.40.40.60.62302301.81.8-0.45-0.45100010004 40.40.40.60.63003002.02.0-0.5-0.5120012004 40.40.40.60.63503502.22.2-0.55-0.55140014004 40.40.40.60.64004002.82.8-0.625-0.625200020004 40.40.40.60.65005003.23.2-0.8-0.8250025004 40.40.40.60.69697
