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激光切割基本概念学院：城市学院专业班级：材控1012年级:2010级姓名：****号:15一、激光切割的基本概念激光切割（laserbeamcutting，简称LBC）是利用高能量密度的激光束作为“切割刀具”对材料进行热切割的一种材料加工方法。二、激光切割的基本原理激光切割是由激光器所发出的水平激光束经45°全反射镜变为垂直向下的激光束，后经透镜聚焦，在焦点处聚成一极小的光斑，在光斑处会焦的激光功率密度高达10^6~10^9W/cm^2。处于其焦点处的工件受到高功率密度的激光光斑照射，会产生10000°C以上的局部高温，使工件瞬间汽化，再配合辅助切割气体将汽化的金属吹走，从而将工件切穿成一个很小的孔，随着数控机床的移动，无数个小孔连接起来就成了要切的外形。由于激光切割的频率非常高，所以每个小孔连接处非常光滑，切割出来的产品光洁度很高。激光切割示意图三、激光切割分类激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。1）激光汽化切割利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料（如纸、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。2）激光熔化切割激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体（Ar、He、N等），依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金等。3）激光氧气切割激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。它是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。4）激光划片与控制断裂激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。四、激光切割特点激光切割与其他热切割方法相比较，总的特点是切割速度快、质量高。具体概括为如下几个方面。⑴切割质量好由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能够获得较好的切割质量。①激光切割切口细窄，切缝两边平行并且与表面垂直，切割零件的尺寸精度可达±0.05mm。②切割表面光洁美观，表面粗糙度只有几十微米，甚至激光切割可以作为最后一道工序，无需机械加工，零部件可直接使用。③材料经过激光切割后，热影响区宽度很小，切缝附近材料的性能也几乎不受影响，并且工件变形小，切割精度高，切缝的几何形状好，切缝横截面形状呈现较为规则的长方形。激光切割、氧乙炔切割和等离子切割方法的比较见表1，切割材料为6.2mm厚的低碳钢板。⑵切割效率高由于激光的传输特性，激光切割机上一般配有多台数控工作台，整个切割过程可以全部实现数控。操作时，只需改变数控程序，就可适用不同形状零件的切割，既可进行二维切割，又可实现三维切割。⑶切割速度快用功率为1200W的激光切割2mm厚的低碳钢板，pg模拟器网址切割速度可达600cm/min；切割5mm厚的聚丙烯树脂板，切割速度可达1200cm/min。材料在激光切割时不需要装夹固定，既可节省工装夹具，又节省了上、下料的辅助时间。⑷非接触式切割激光切割时割炬与工件无接触，不存在工具的磨损。加工不同形状的零件，不需要更换“刀具”，只需改变激光器的输出参数。激光切割过程噪声低，振动小，无污染。⑸切割材料的种类多与氧乙炔切割和等离子切割比较，激光切割材料的种类多，包括金属、非金属、金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维等。但是对于不同的材料，由于自身的热物理性能及对激光的吸收率不同，表现出不同的激光切割适应性。⑹缺点激光切割由于受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，而且随着工件厚度的增加，切割速度明显下降。激光切割设备费用高，一次性投资大。五、激光切割运用范围大多数激光切割机都由数控程序进行控制操作或做成切割机器人。激光切割作为一种精密的加工方法，几乎可以切割所有的材料，包括薄金属板的二维切割或三维切割。在汽车制造领域，小汽车顶窗等空间曲线的切割技术都已经获得广泛应用。德国大众汽车公司用功率为500W的激光器切割形状复杂的车身薄板及各种曲面件。在航空航天领域，激光切割技术主要用于特种航空材料的切割，如钛合金、铝合金、镍合金、铬合金、不锈钢、氧化铍、复合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有发动机火焰筒、钛合金薄壁机匣、飞机框架、钛合金蒙皮、机翼长桁、尾翼壁板、直升机主旋翼、航天飞机陶瓷隔热瓦等。激光切割成形技术在非金属材料领域也有着较为广泛的应用。不仅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；还能切割加工柔性材料，如布料、纸张、塑料板、橡胶等，如用激光进行服装剪裁，可节约衣料10%～12%，提高功效3倍以上。六、激光切割参数（1）光束横模①基模又称为高斯模，是切割最理想的模式，主要出现在功率小于1KW的激光器。②低阶模与基模比较接近，主要出现在1-2KW的中功率的激光器。③多模是高阶模的混合，出现在功率大于3KW的激光器。在相同功率下多模的聚焦性差，切割能力低，单模激光的切割能力大于多模。（2）激光功率激光切割所需的激光功率主要取决于切割类型以及被切割材料的性质。汽化切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧化切割最小。激光功率对切割厚度、切割速度和切口宽度等有很大的影响。一般功率增大，所能切割材料的厚度也增加，切割速度加快，切口宽度也有所加大。 （3）焦点位置（离焦量） 离焦量对切口宽度和切割深度影响较大。一般选择焦点位于材料表面下方约 1/3 板厚处，切割深度最大，切口宽度最小。 （4）焦点深度 切割较厚钢板时，应采用焦点深度大的光束，以获得垂直度较好的切割面。 但焦点深度大，光斑直径也增大，功率密度随之减小，是切割速度降低。若要保 持一定的切割速度，则需要增大激光的功率；切割薄板宜采用较小的焦点深度， 这样光斑直径小，功率密度高，切割速度快。 （2）激光功率 激光切割所需的激光功率主要取决于切割类型以及被切割材料的性质。汽化 切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧化切割最小。激光功率对切割厚 度、切割速度和切口宽度等有很大的影响。一般功率增大，所能切割材料的厚度 也增加，切割速度加快，切口宽度也有所加大。 （3）焦点位置（离焦量） 离焦量对切口宽度和切割深度影响较大。一般选择焦点位于材料表面下方约 1/3 板厚处，切割深度最大，切口宽度最小。 （4）焦点深度 切割较厚钢板时，应采用焦点深度大的光束，以获得垂直度较好的切割面。 但焦点深度大，光斑直径也增大，功率密度随之减小，是切割速度降低。若要保 持一定的切割速度，则需要增大激光的功率；切割薄板宜采用较小的焦点深度， 这样光斑直径小，功率密度高，切割速度快。 七、 激光切割设备 1、 激光切割设备分类 激光切割设备分为二维激光切割机和三围激光切割机。二维激光切割机主要是 激光切割机床；三维激光切割机主要是激光切割机器人。 2、激光传输方法 二维激光切割机的激光传输方法主要是利用平面镜折射进行传输。三围激光切割 机的激光传输方法是利用光纤进行传输。 八、 激光切割典型零件 八、参考文献 [1]叶建斌 戴春祥 ．激光切割技术 [M]．上海 ：上海科学技术出版社 ，2012 年7 月 ． [2]李亚江 王娟 ．特种焊接技术及应用 [M]．第三版．北京 ：化学工业出版社 ， 2012 年8 月 ，33-40
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