激光切割的主要工艺和运用价值物理学专业.doc

激光切割的主要工艺和运用价值 摘　要 随着工业技术的发展，对于材料的切割要求会越来越高，这对切割的技术也就有着很高的要求。激光切割与传统的切割方法相比，有着多方面的要求，正好符合这方面的要求。激光切割速度快和精度高以及对切割材料的性能影响小等优点，正在广泛的应用于各个领域，而且在未来激光切割会扮演越来越重要的角色，其应用的价值越来越得到人们的肯定。 关键词　激光切割，工艺，应用，价值 前言 激光切割是利用聚焦而成的高能量密度激光束将工件熔化或汽化, 并利用辅助气体将熔化物或氧化物吹除而形成切口实现切割。激光切割时，能量以光的形式集中成一条高密度的光束，光束传递到工作表面，产生足够的热量，使材料熔化，加之与光束同轴的高压气体直接除去熔隔金属，从而达到切割的目的，这说明激光切割加工同机床的机械加工有着本质的区别。它是利用从激光发生器发射出的激光束，经外电路系统，聚焦成高功率密度的激光束照射条件，激光热量被工件材料吸收，工件温度急剧上升，到达沸点后，材料开始汽化并形成孔洞，随着光束与工件相对位置的移动，最终使材料形成切缝。切缝时的工艺参数（切割速度，激光器功率，气体压力等）及运动轨迹均由数控系统控制，割缝处的熔渣被一定压力的辅助气体吹除。由于它可对不同材料进行加工,因此对不同的切割所形成的机制是有区别的。由于它可以对不同材料进行切割, 因此对不同材料的切割机制是有所区别的。 １ 激光切割的主要工艺 依据切割原理，激光切割可以分为汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制断裂切割四种加工工艺。 １.1 汽化切割 汽化切割是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是非常快的，这就可以避免热传导而造成的熔化，于是部分材料汽化成消失，部分材料作为喷出物从切缝底部被辅助气流吹走。一些不能熔化的材料，就是通过汽化切割方法切割成形的。汽化切割过程中，蒸汽随身带走熔化质点并冲刷碎屑，形成孔洞。汽化过程中，大约40%的材料化作蒸汽消失，而有60%的材料是以熔滴的形式被气流驱除的。这种方式切割一般需要较高的功率密度, 是熔化切割所需能量10 倍。该种方法适合加工不能熔化的木材、碳素和某些塑料。 １.2 熔化切割 熔化切割是在激光束加热工件熔化时用与激光束同轴的辅助气体将其吹落形成切缝。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带走。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走。 １.3 氧化熔化切割 氧助熔化切割是用氧气代替熔化切割时的惰性气体, 氧气与高温下的金属反应放出热量加速了切割过程。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。具体描述如下： 材料表面在激光束的照射下很快被加热到燃点温度，随之与氧气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汽的小孔，而小孔的周围为熔融的金属壁所包围。燃烧物质转移成熔渣控制氧和金属的燃烧速度，同时氧气扩散通过熔渣到达点火前沿的快慢也对燃烧速度有很大的影响。氧气流速越高，燃烧化学反应和去除熔渣的速度也越快。当然，氧气流速不是越高越好，因为流速过快会导致切缝出口处反应产物即金属氧化物的快速冷却，这对切割质量也是不利的。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的热能。据估计，切割钢时，氧化反应放出的热量要占到切割所需全部能量的60%左右。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，如果氧的燃烧速度高于激光束的移动速度，割缝显得宽而粗糙。如果激光束移动的速度比氧的燃烧速度快，则所得切缝狭而光滑。 １.3 控制断裂切割 控制断裂切割是用激光束加热脆性材料的小块区域引起热梯度和严重的机械变形最终导致裂缝。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。 但需要注意的是，这种控制断裂切割不适合切割锐角和角边切缝。切割特大封闭外形也不容易获得成功。控制断裂切割速度快，不需要太高的功率，否则会引起工件表面熔化，破坏切缝边缘。 ２　激光切割的运用价值 比起其他传统的切割方法，激光切割具有很多的优点，正是因为这些优点激光切割被广泛的应用于各个领域。激光切割的应用价值也正是由其各种优点所决定的。 ２.1 激光切割的优势 2.1.1 激光加工噪声小 传统的切割机在工作时具有很大的噪音，但激光切割机的噪音就小得多，这是传统切割机床难以做到的。 2.1.2 切割断面质量好 切割材料的激光束是一种高能量高密度的热源，它比电弧要高好几个数量级。激光通过光学聚焦后光斑直径可达0.1～0.5ｍｍ，功率密度会比电弧更高；使被加工的材料会瞬间汽化而被切割。在用激光切割低碳钢时，其切口的宽度可小于很小，切割面表面粗糙度只有十几微米，切割零件的精度非常的高。因此，激光切割的零件因切口质量好，经常无需机械的再加工就可以直接使用。 2.1.3 材料变形小 再用激光切割材料时输入的热量在瞬间就可以将材料切割，因此被切割的材料变形会很小，而且被切割的材料各种性能受影响也会很小。由于激光束的功率密度极高，切割时热影响的宽度是很小的，切口附近材料变形非常的小，其性能几乎不受影响。 2.1.4 切割效率高 激光是可以通过光线或光学镜片进行传导，因此切割过程的可完全实现数控。而且激光能够切割任意形状的零件，既可作二维和三维切割，用激光切割材料的效率比传统的切割方式要高的多。 2.1.5 切割作用力小 激光切割不同于机械切割，它的刀具只是激光束而已，因此没有刀具的磨损。使用时也不用换不同规格的刀具，只需改变激光器的参数。加工过程中对被加工的材料无需施加压力,这样就可以较好地保持原有材料的表面质量。不用磨损刀具，只需激光束在材料表面游走就可以对材料进行切割，工件装卡简单、甚至不需要装卡。 ２.2 切割材料范围广　 2.2.1 碳钢 激光切割碳钢具有切缝小，对材料的性能影响小，切缝光滑，清洁和平滑,垂直度好等优点。 2.2.2 不锈钢 用氧助和高压氮气两种切割方法切割不锈钢可弥补其他加工方法的缺点，可获得较为理想的切割质量。　 2.2.3 合金 钛合金比较易于吸收激光能量,比较好加工，但要注意它的过热影响区。黄铜能部分地吸收激光束，在较大的激光功率下也可以切割, 但应注意它的高反射会引起镜片的烧伤。此为激光切割也可以对铝合金进行加工。 2.2.4 非金属的切割 激光切割可以应用于很多的非金属材料，例如木材和塑料。但切割木材时是瞬间蒸发和燃烧，应合理地调整功率和切割速度，加以辅助压缩空气，以免木材发生燃烧。激光切割可用来加工各种类型的木材和木材压制的胶板等。激光也可对塑料进行有效的切割，并可获得较为理想的切缝。但必须要注意, 该材料属易燃物质,并在切割时注意气化后的有毒气体对人的危害。 ２.3 精细加工 精加工在工业加工中占得比例会越来越大，这是因为随着科学技术的不断进步，产品不断向小型化发展，需要越来越多的精细加工。在精加工中传统的加工技术已经无能为力，而激光加工技术和设备正在逐步地取代传统方法和设备。例如在对薄钢板的加工中，以往的工艺水平只能是粗加工。一般的机床很难胜任，如传统的数控机床，铣、镗加工中心等,加工范围就不足，即使费力加工出来，成本又太高，而且遇上加工方孔时该类机床则显得力不从心。其加工效率低，如线切割、电火花机床加工时间太长不容易达不到要求，如步冲机冲裁面总是有切痕或搭边，薄板的表面极易变形，而且加工难度太大又很难保证质量。所以加工此类工件最有效的方法就是应用激光切割，由于它是采用无接触加工，表面质量好，对材料表面不施加压力，使工件不易变形,同时加工速度快，在加工薄板时能达到每分钟数米,加工效率高，尤其是加工内孔有小锐角的内角件以及内有不规则形状的孔时，它会应用自如。针对切割面积大、板材薄、表面质量要求和几何尺寸要求高，采用其他加工方式都很难实现，加工后的毛刺、以及表面的局部变形很难控制在要求以内，尤其是加工不锈钢对冲模的损害很大。激光切割机最适合作此类工作。采用特殊的加工工艺，合理地安排入光和切割路线，只需1个多小时就可完成该类工件的加工。加工后的工件不论从尺寸精度，还是表面质量均能满足用户的要求。现已大量应用于高精度定位的设备上。 ３　结语 激光加工在整体上存在这些明显的优势！不论是从精度、速度、还是费用上激光加工的优势都很明显。而且在图形变更上也比其他的加工方法容易的很多，由此可见激光切割是现代工业生产上不可缺少的一种加工手法。激光切割在工业企业的加工生产中,为国民经济的发展起到了推动作用。它在工业领域中所具有的不可替代的加工特点, 将推动这一技术在我国的工业企业得到更快、更广泛的应用。 参考文献 [1] 肖克. CO2 激光切割机在工业企业中的应用前景[J]. 激光技术与 应用, 2004,(1)． [2]蓝信鉅．激光技术．科学出版社，2000年8月． [3]张小康，周建忠，叶云霞.激光加工技术[M].北京：化学工业出版社，2004. [4]王红俐.激光切割金属的工艺探索[J].工业技术，2009，(21)．