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激光：激光加工是一種能束加工方法,，具有亮度高、方向性好和單色性好的相干光,，因此在理論上可聚焦到尺寸與光的波長相近的小斑點上,。焦點處的功率密度可達107～1011W/cm2,，溫度可高達萬度以上。激光加工就是利用材料在激光聚焦照射下瞬時急劇熔化和氣化,，并產(chǎn)牛很強的沖擊波,，使被熔化的物質(zhì)爆炸式地噴濺來實現(xiàn)材料的去除。
激光原理起自1917年愛因斯坦發(fā)表的光的受激發(fā)射理論,，50年代初的量子放大器實現(xiàn)了通過受激發(fā)射放大微波的作用,，60年代美國休斯研究所的梅曼應用了紅宇石激光首次實現(xiàn)了振蕩，取得了光放大的激光,，為70年代發(fā)展激光加工奠定了基礎,。
產(chǎn)生激光束的器件稱為激光器，它的種類很多,，按其工作物質(zhì)的不同可分為問體激光器,、氣體激光器,、液體激光器,、半導體激光器和化學激光器等5種。激光束的輸出方式有脈沖,、連續(xù)和巨脈沖等3種,。 2 Z# [( N7 v. b7 r* n
激光加工具有以下特點：
1）幾乎對所有金屬材料和非金屬材料如鋼材、耐熱合金,、高熔點材料,、陶瓷、寶石,、玻璃,、硬質(zhì)合金和復合材料等都可加工。
2）加工效率高,，可實現(xiàn)高速切割和打孔,，也易于實現(xiàn)加工自動化和柔性加工。
3）加工作用時間短,，除加工部位外,，幾乎有受熱影響和不產(chǎn)生熱變形。
4）非接觸加上,，工件不受機械切削力,，無彈性變形，能加工易變形薄板和橡膠等工件,。
5）由于激光束易實現(xiàn)空間控制和時間控制,，能進行微細的精密圖形加工。
6）不存在工具磨損和交換問題,。
7）在大氣中無能量損失,，故加工系統(tǒng)的外圍設備簡單，不像電子束加工需要真空室。
8）可以通過空氣,、惰性氣體或光學透明介質(zhì),，故可對隔離室或真空室內(nèi)工件進行加工。
9）加工時不產(chǎn)生振動和機械噪聲,。
激光加工主要應用于打孔和切割,，此外還有激光劃線。圖形刻劃,、修邊,、動平衡校正、熱處理,、激光焊接和打標志等多種用途,。 n3 N* P- y4 _6 h* S
激光切割的特點和切割參數(shù)ffice ffice" /> : p4 m2 X/ N1 O O* s/ O" V
1． 切割縫細：激光切割的割縫一般在0.10～ffice:smarttags" />0.20mm。
' w2 }; f5 t3 f2 o2． 切割面光滑：激光切割的切割面無毛刺,，表面粗糙度一般控制在Ra：12.5以上,。
( D _% @8 ?6 l E! |" y4 \' Z3． 速度快：激光切割的速度與線切割的速度相比要快很多。 5 c6 `$ t( ]3 {, O2 Y+ J1 ^
4． 熱變形�,。杭す饧庸さ募す飧羁p細,、速度快、能量集中,，因此傳到被切割材料上的熱量小,，引起材料的變形也非常小。
; w- M( ?4 f; A8 u5 U7 O5． 激光切割不會與材料表面相接觸,，保證產(chǎn)品不劃傷,。 % {/ l, n. O& J: e4 I! ?
6． 適合大件產(chǎn)品的加工：大件產(chǎn)品的模具制造費用很高，激光加工不需任何模具制造,，而且激光加工完全避免材料沖剪時形成的塌邊,，可以大幅度地降低企業(yè)的生產(chǎn)成本提高產(chǎn)品的檔次。 9 z7 Y2 x" Z# w) f8 Y3 f
7． 非常適合新產(chǎn)品的開發(fā)：一旦產(chǎn)品圖紙形成后,，馬上可以進行激光加工,，你可以在最短的時間內(nèi)得到新產(chǎn)品的實物。 : M! v% ?7 I' q8 }0 l
8． 節(jié)省材料：激光加工采用電腦編程,，可以把不同形狀的產(chǎn)品進行材料的套裁,，最大限度地提高材料的利用率。 2 X2 f3 P) p: y3 [" B: O. z% a
9． 適合激光加工的材料：激光可以對鋼板,、不銹鋼,、鋁合金板、硬質(zhì)合金等進行加工,。 1 |- T! C6 C7 @5 E9 R7 h4 J9 b
10．激光加工應用行業(yè)：
（1） 目前開展激光加工的方面主要是電梯,、自動扶梯、紡織機械、食品機械,、輕工機械,、冷凍機械、印刷機械,、復印機械,、交通機械、港口機械,、運輸機械,、船舶機械、農(nóng)用機械,、筑路機械,、搬運機械、環(huán)保機械及礦山,、冶金機械等等的板金加工,。
（2） 其次是電子,、電器業(yè)包括醫(yī)療儀表,、器械以及控制柜箱等板金加工,。
�,。�3） 電機制造業(yè)中各類轉(zhuǎn)子、定子,、葉片的切割成型,。
（4） 量具,、刃具業(yè)中各類鋸條鋸片等切割成型,。
（5） 汽車制造業(yè)包括零件,、總裝合成和流水線中部件的制造,，
（6） 廣告,、裝潢及工藝品制造業(yè),。 5 z9 V* [. ?+ \- D
.激光切割的合理工作參數(shù)
除精細切割如切割硅片可用YAG固體激光器外，激光切割一般采用CO2激光器,，其工作參數(shù)主要有切割速度,、切縫寬度和切割厚度。
（1）激光切割速度 它隨激光功率和噴氣壓力增大而增加,，而隨被切材料厚度增加而降低,。切割6mm厚度碳素鋼鋼板的速度達到2.5m/min，而厚度為12mm的鋼板僅為0.8m/min。切割15.6mm厚的膠合板為4.5m/min,，切割35mm厚的丙烯酸酯板的速度則達27m/min,。
（2）切縫寬度 一般在0.5mm左右，它與被切材料性質(zhì)及厚度,、激光功率大小,、焦距及焦點位置、激光束直徑,、噴吹氣體壓力及流量等因素有關,，其影響程度大致與對打孔直徑的影響相似。切割精度可達±0.02～0.01mm,。
（3）切割厚度 它主要取決于激光輸出功率,。切割碳素鋼時，1kW級激光器的極限切割厚度為9mm,，1.5kW級為12mm,，2.5kW級為19mm；2.5kW級切割不銹鋼的最大切割厚度則為15mm,。對于厚板切割則需配置3kW以上的高功率激光器,。
（4）輔助氣體提高切割效率和切口質(zhì)量 由于金屬表面的激光反射率可高達95%，使激光能量不能有效地射入金屬表面,。噴吹氧氣或壓縮空氣能促進金屬表面氧化,，可提高對激光的吸收率來提高切割效率。增加吹氧壓力還可使切縫減小,，切割石英時,，吹氧可防止再粘結(jié)。切割易燃材料時,，可噴惰性氣體防止燃燒,，切割帶有金屬夾層的易燃材料，宜采用壓縮空氣,。
當吹氣壓力未超過某一數(shù)值時,，增加壓力可增大切割厚度。
對于熔點低,、分解點低及導熱性差的塑料,、纖維、木材,、布料等,，一般應采用長焦距的鍺透鏡來聚焦激光束。 % w8 q1 N( U. b+ ?$ k7 O7 R% E
激光切割之切割材料
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. R% Y* A+ R. Y: h2 y$ l6 t* e雖然幾乎所有的金屬材料在室溫對紅外波能量有很高的反射率,，但發(fā)射處于遠紅外波段10.6um光束的CO2激光器還是成功的應用于許多金屬的激光切割實踐,。金屬對10.6um激光束的起始吸收率只有0.5%~10%,，但是，當具有功率密度超過106w/cm2的聚焦激光束照射到金屬表面時,，卻能在微秒級的時間內(nèi)很快使表面開始熔化,。處于熔融態(tài)的大多數(shù)金屬的吸收率急劇上升，一般可提高60%~80%,。從而很迅速的對板材進行加工. ( e8 t" x; i4 f' g6 ~6 P. Z7 e; Y
7 ^1 `1 S5 L) t（1）碳鋼,。
: F+ V# Q* q2 E& h現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)可以切割碳鋼板的最大厚度可達20MM，利用氧化熔化切割機制切割碳鋼的切縫可控制在滿意的寬度范圍,，對薄板其切縫可窄至0.1MM左右,。
! a3 S- V! }" b' w. ~! D- b（2）不銹鋼。 / a: }, C( ]# _. R, K) B2 h% o
激光切割對利用不銹鋼薄板作為主構(gòu)件的制造業(yè)來說是個有效的加工工具,。在嚴格控制激光切割過程中的熱輸入措施下,，可以限制切邊熱影響區(qū)變得很小，從而很有效的保持此類材料的良好耐腐蝕性,。 & D; ~- v6 }3 R4 \/ A
（3）合金鋼,。 ! p4 h7 J f# |) T' }% ^3 U) b
大多數(shù)合金結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼都能用激光切割方法獲得良好的切邊質(zhì)量。即使是一些高強度材料,，只要工藝參數(shù)控制得當,，可獲得平直、無粘渣切邊,。不過,，對于含鎢的高速工具鋼和熱模鋼，激光切割時會有熔蝕和粘渣現(xiàn)象發(fā)生,。
% H) H5 S) ]! l; x# i* p. q（4）鋁及合金,。 4 o4 ^) I6 M- K( W; |0 ~
鋁切割屬于熔化切割機制,，所用輔助氣體主要用于從切割區(qū)吹走熔融產(chǎn)物,，通常可獲得較好的切面質(zhì)量,。對某些鋁合金來說,，要注意預防切縫表面晶間微裂縫產(chǎn)生。 . P5 g8 A8 ~& i- J
（5）銅及合金,。
# L1 ]9 ^. x1 L純銅（紫銅）由于太高的反射率,，基本上不能用CO2激光束切割。黃銅（銅合金）使用較高激光功率,，輔助氣體采用空氣或氧,，可以對較薄的板材進行切割。 7 w+ R& S- y1 Q* i" [
（6）鈦及合金,。
& g2 d9 }5 r4 S純鈦能很好耦合聚焦激光束轉(zhuǎn)化的熱能,，輔助氣體采用氧時化學反應激烈,，切割速度較快，但易在切邊生成氧化層,，不小心還會引起過燒,。為穩(wěn)妥起見，采用空氣作為輔助氣體比較好,，以確保切割質(zhì)量,。 & _ a' s( G X# _! ?! T$ ?3 i; M
飛機制造業(yè)常用的鈦合金激光切割質(zhì)量較好，雖然切縫底部會有少許粘渣,，但很容易清除,。 * W/ c& f5 a" ]: q5 |: M' B$ e: c
（7）鎳合金。
6 }6 D y4 {$ W u' ^% a鎳基合金也稱超級合金,，品種很多,。其中大多數(shù)都可實施氧化熔化切割。
- d) w) {. \: Z$ i# y8 p. C非金屬材料的激光切割
10.6um波長的CO2激光束很容易被非金屬材料所吸收﹐導熱性不好和低的蒸發(fā)溫度又使吸收的光束能幾乎整個傳輸入材料內(nèi)部﹐并在光斑照射處瞬間氣化形成起始孔洞﹐進入切割過程的良性循環(huán).
2.1有機材料
2.1.1塑料（聚合物）
激光切割對塑料加工有較大的吸收力﹐因為激光可以對任何復雜形狀工件進行無接觸的高速切割﹐激光作為一種高功率密度強熱源﹐很快蒸發(fā)膠合劑﹐破壞材料的聚合鏈﹐實施切割.
低溶塑料﹔在正確控制工藝下﹐可獲無毛刺.氣泡的底部切割邊切縫光光滑平整.
高強塑料﹔為了破壞其強的連接鏈﹐需要較強的光束功率密度﹐切割時由此產(chǎn)生燃燒﹐切邊形成不同程度的碳化.
聚氯乙烯或聚乙稀﹔注意防止切割過程中產(chǎn)生有害氣體﹐防止機器生銹﹐切割斷面呈茶色﹐會有纖維絲產(chǎn)生.
2.1.2橡膠
切割時材料無接觸﹐切割時無需擔心工作的延伸和變形﹐防止切邊發(fā)粘.
2.1.3木材
激光能有效切割木材.層壓板.木屑板.無鋸屑﹐輔助氣體必須使用惰性的氮氣﹐防止材料的燃燒.
2無機材料
1.2. 1石英
熱膨脹系數(shù)較低的石英材料比較適宜激光切割﹐切邊質(zhì)量好﹐切面光滑.
2.2.2玻璃
對大多數(shù)玻璃來說﹐受激光熱沖擊后產(chǎn)生的裂紋.
2.2.3陶瓷
陶瓷激光切割機制是可控向斷裂﹐聚焦光點﹐引超定向加熱梯度和高的機械應用力﹐使陶瓷這類幾乎沒有塑料的材料生成小裂縫﹐裂縫延著光點移動不斷生成﹐最后把陶瓷切斷﹐采用CO2激光束切勿使用高功率﹐否則將會出現(xiàn)龜裂導致切割失敗.
2.2.4石頭
不同類型的引石材料中含有水份﹐濕氣由于激光束瞬間快速加熱引起爆炸導致開裂
2 T5 U8 N u6 q* @( D l激光切割之熱影響與切縫
* A3 s& {4 ]& T% k" p n激光束聚焦成很小的光點,，使焦點處達到很高的功率密度,。這時光束輸入的熱量遠遠超過被材料反射、傳導或擴散的部分,，材料很快加熱至汽化程度,，蒸發(fā)形成孔洞,。隨著光束與材料相對線性移動,，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫。切邊受熱影響很小,，基本沒有工件變形,。 % B* r3 U! Z Y, x& _% q
切割過程中還添加與被切材料相適合的輔助氣體,。鋼切割時利用氧作為輔助汽體與熔融金屬產(chǎn)生放熱化學反應氧化材料，同時幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣,。切割聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣,，棉、紙等易燃材料切割使用惰性汽體,。進入噴嘴的輔助汽體還能冷卻聚焦透鏡,，防止煙塵進入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導致鏡片過熱。 6 h5 _; c' p& N9 P) l/ M) L
大多數(shù)有機與無機材料都可以用激光切割,。在工業(yè)制造系統(tǒng)占有份量很重的金屬加工業(yè),，許多金屬材料，不管它是什么樣的硬度,，都可以進行無變形切割,。當然，對高反射率材料,，如金,、銀,、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導體,，因此激光切割很困難,，甚至不能切割。(對于此類材料可以在材料表面涂上防反射材料進行切割）
) [* x2 {1 V6 T( a5 ?4 r) S激光切割無毛刺,、皺折,、精度高，優(yōu)于等離子切割,。對許多機電制造行業(yè)來說,，由于微機程序控制的現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件，它往往比沖切,、模壓工藝更被優(yōu)先選用,；盡管它加工速度還慢于模沖，但它沒有模具消耗,，無須修理模具,，還節(jié)約更換模具時間，從而節(jié)省了加工費用,，降低了生產(chǎn)成本,，所以從總體上考慮是更合算的。 9 s# B$ `( F" l
激光切割的優(yōu)缺點
; Y3 b) h/ T/ S: o& o! ^優(yōu)點： - A! x' p9 h; G6 s% O6 z
激光束聚焦后形成具有極強能量的很小作用點,，把它應用于切割有許多特點,。首先，激光光能轉(zhuǎn)換成驚人的熱能保持在極小的區(qū)域內(nèi),，可提供（1）狹的直邊割縫,；（2）最小的鄰近切邊的熱影響區(qū)；（3）極小的局部變形,。其次,，激光束對工件不施加任何力，它是無接觸切割工具,，這就意味著：（1）工件無機械變形,；（2）無刀具磨損，也談不上刀具的轉(zhuǎn)換問題,；（3）切割材料無須考慮它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料的硬度影響,，任何硬度的材料都可以切割,。再次，激光束可控性強,，并有高的適應性和柔性,，因而（1）與自動化設備相結(jié)合很方便,，容易實現(xiàn)切割過程自動化；（2）由于不存在對切割工件的限制,，激光束具有無限的仿形切割能力,；（3）與計算機結(jié)合，可整張板排料,，節(jié)省材料,。 ; ^5 \& P: E% g& @8 ?6 L3 Z
缺點： % w* {% U2 ^" n4 W% |3 M! R. y3 f
1：成本較高，必須有輔助氣體,。2：無法完成成型拉伸,。（現(xiàn)在有激光沖壓復合機，不過好像太貴）3：速度相對數(shù)控沖床低一些,。
激光切割與加工工件的材料,，精度，復雜程度有直接的關系,，如果批量較小,，加工復雜，要求精度高,，選者激光切割機是明智的,。反之車不然。
6 |# L6 H+ p# u. @6 K- k用來加工不銹鋼是在好不過了,？特別是3mm以上的,！如果在沖床上？你想聽聽它的聲音嗎,？如果在沖床上沖３mm 的不銹鋼要開的最慢,！要不你的模具準備多點？激光切割的優(yōu)點是聲音小速度快,，沒有毛刺,，不變形，不刮花材料的表層 7 \- F4 c, A- u0 `6 P
' }' ]7 ]3 @! Y2 b激光技術(shù)之光路傳輸 ' S" B% ~' Y1 o8 @" K, m2 x
光路,，是指光行駛的路徑,。
j1 M T# M& F3 a目前主要有混合光路、單臂懸梁飛行光路和龍門式飛路三種,�,；旌瞎饴凡捎霉ぷ髋_或工件X軸運動，切割頭Y軸運動行光,，在加工中存在工件運動,，容易導致精度誤差，且容易劃傷板材,，但是技術(shù)相對簡單,，造價低,，目前國內(nèi)激光設備生產(chǎn)廠主要提供這種形式的切割機供模切板行業(yè)。單臂懸梁飛行光路由于切割頭的單點承重,，設備剛性不足,，一般需要特殊地基，而且在長期運行的穩(wěn)定性不夠,。龍門式飛行光路是目前最成熟的技術(shù),，它有著速度快、剛性好及精度高等特點,。
當然,，在一個完整的系統(tǒng)中，還有很多要素需要評估,，例如供應商對激光工藝的研究程度,，針對各種材料的不同加工要求是否可以提供完整的解決解決工藝;設備的整體性、長期穩(wěn)定性;抗電磁干擾能力;對環(huán)境的要求……都需要我們進行考核,。
+ j. Q; f8 M2 H, s+ i! U. B激光加工的安全等級 * Z! h! r# D7 I! D! V" a) D
Class I：低輸出激光（功率小于0.4mW）,，不論何種條件下對眼睛和皮膚，都不會超過MPE值,，甚至通過光學系統(tǒng)聚焦后也不會超
過MPE值,。可以保證設計上的安全,，不必特別管理,。典型應用如激光教鞭，CD播放機,，CD-ROM設備,，地質(zhì)勘探設備和實驗室分析
儀器等。
Class II：低輸出的可視激光（功率0.4mW-1mW）,，人閉合眼睛的反應時間為0.25秒,，用這段時間算出的曝光量不可以超過ＭＰＥ
值。通常1ｍＷ以下的激光,，會導致暈眩無法思考,，用閉合眼睛來保護，不能說完全安全,，不要直接在光束內(nèi)觀察,，也不要用Class
II激光直接照射別人的眼睛，避免用遠望設備觀察Class II激光,。典型應用如課堂演示,，激光教鞭，瞄準設備和測距儀等,。
Class III ：中輸出激光,，光束若直接射入眼睛，會產(chǎn)生傷害,，基于某些安全的理由,，進一步分為IIIＡ和IIIＢ級。
IIIＡ級為可見光的連續(xù)激光,，輸出為1-5ｍＷ的激光束,，光束的能量密度不要超過25Ｗ／ｍ﹣ｍ，避免用遠望設備觀察IIIＡ激
光,，這樣可能增大危險,。IIIＡ的典型應用和Class II級有很多相同之處，如激光教鞭,，激光掃描儀等,。
III B 級為5-500mＷ的連續(xù)激光，直接在光束內(nèi)觀察有危險,。但最小照射距離為13ｃｍ,，最大照射時間十秒以下為安全。IIIB
激光的典型應用如光譜測定和娛樂燈光表演等,。
ClassIV：高輸出連續(xù)激光（大于500mW）,，高過第三級，有火災的危險,，擴散反射也有危險,。典型應用如外科手術(shù)，研究,，切割,，焊接和顯微機械加工等。
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一般的激光設備應當有相應的安全保護措施：
（1）根據(jù)激光裝置的級別,，有關激光的安全或傷害具有充分的知識與認識的人來指導處理.
（2）三級以上的激光制作由有安全操作適當教育的人來執(zhí)行,。
（3）動作中的激光裝置，假如不發(fā)出激光光,，也不要探視光路中,。
（4）激光共振器的調(diào)整，光軸調(diào)低時,，會突然發(fā)射激光,。要經(jīng)常注意眼睛的位置來處理。
（5）ＣＯ2激光使用眼睛看不到的紅外光大型激光時,，附近的人要特別注意,。
（6）不能避免反射光或亂射光時，在使用三級以上的激光時，可以使用保護眼鏡,。
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發(fā)表于 2007-5-24 15:40:57
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發(fā)表于 2007-5-25 17:04:29