激光切割加工技术详解
激光切割技术是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。
简介
利用激光切割设备可切割4mm以下的不锈钢，在激光束中加氧气可切割20mm厚的碳钢，但加氧切割后会在切割面形成薄薄的氧化膜。切割的较大厚度可增加到20mm，但切割部件的尺寸误差较大。
激光切割设备的价格相当贵，约150万元以上。但是，由于降低了后续工艺处理的成本，所以，在大生产中采用这种设备还是可行的。由于没有刀具加工成本，所以激光切割设备也适用生产小批量的原先不能加工的各种尺寸的部件。激光切割设备通常采用计算机化数字控制技术(CNC)装置，采用该装置后，就可以利用电话线从计算机辅助设计(CAD)工作站来接受切割数据。
原理
激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。
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。
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较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。
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。
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。
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。
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，*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。
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，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。
主要特性
切缝窄工件变形小
激光束聚焦成很小的光点，使焦点处达到很高的功率密度。这时光束输入的热量远远**过被材料反射、传导或扩散的部分，材料很快加热至汽化程度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。切边受热影响很小，基本没有工件变形。
切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助汽体。钢切割时利用氧作为辅助汽体与熔融金属产生放热化学反应氧化材料，同时帮助吹走割缝内的熔渣。切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气，棉、纸等易燃材料切割使用惰性汽体。进入喷嘴的辅助汽体还能冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。
大多数**与无机材料都可以用激光切割。在工业制造系统占有份量很重的金属加工业，许多金属材料，不管它是什么样的硬度，都可以进行无变形切割。当然，对高反射率材料，如金、银、铜和铝合金，它们也是好的传热导体，因此激光切割很困难，甚至不能切割。激光切割无毛刺、皱折、精度高，优于等离子切割。对许多机电制造行业来说，由于微机程序控制的现代激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件，它往往比冲切、模压工艺更被**选用；尽管它加工速度还慢于模冲，但它没有模具消耗，无须修理模具，还节约更换模具时间，从而节省了加工费用，降低了生产成本，所以从总体上考虑是更合算的。
无接触加工
激光束聚焦后形成具有较强能量的很小作用点，把它应用于切割有许多特点。首先，激光光能转换成惊人的热能保持在较小的区域内，可提供
⑴狭的直边割缝；⑵较小的邻近切边的热影响区；⑶较小的局部变形。
其次，激光束对工件不施加任何力，它是无接触切割工具，这就意味着⑴工件无机械变形；⑵无刀具磨损，也谈不上刀具的转换问题；⑶切割材料无须考虑它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料的硬度影响，任何硬度的材料都可以切割。再次，激光束可控性强，并有高的适应性和柔性，因而⑴与自动化设备相结合很方便，容易实现切割过程自动化；⑵由于不存在对切割工件的限制，激光束具有无限的仿形切割能力；⑶与计算机结合，可整张板排料，节省材料。
适应性和灵活性
与其它常规加工方法相比，激光切割具有更大的适应性。首先，与其他热切割方法相比，同样作为热切割过程，别的方法不能象激光束那样作用于一个较小的区域，结果导致切口宽、热影响区大和明显的工件变形。激光能切割非金属，而其它热切割方法则不能。
激光的应用领域
国外除上述应用外，还在不断扩展其应用领域。
⑴采用三维激光切割系统或配置工业机器人，切割空间曲线，开发各种三维切割软件，以加快从画图到切割零件的过程。
⑵为了提高生产效率，研究开发各种**切割系统，材料输送系统，直线电机驱动系统等，如今切割系统的切割速度已**过100m/min。
⑶为扩展工程机械、造船工业等的应用，切割低碳钢厚度已**过30mm，并特别注意研究用氮气切割低碳钢的工艺技术，以提高切割厚板的切口质量。因此在中国扩大CO2激光切割的工业应用领域，解决新的应用中一些技术难题仍然是工程技术人员的重要课题。
关键技术一
CO2激光切割的几项关键技术是光、机、电一体化的综合技术。
激光束的参数、机器与数控系统的性能和精度都直接影响激光切割的效率和质量。特别是对于切割精度较高或厚度较大的零件，必须掌握和解决以下几项关键技术：
焦点位置控制技术
焦点位置控制技术：激光切割的优点之一是光束的能量密度高，一般10W/cm2。由于能量密度与4/πd2成正比，所以焦点光斑直径尽可能的小，以便产生一窄的切缝；同时焦点光斑直径还和透镜的焦深成正比。聚焦透镜焦深越小，焦点光斑直径就越小。但切割有飞溅，透镜离工件太近容易将透镜损坏，因此一般大功率CO2激光切割工业应用中广泛采用5〃~7.5〃〞（127~190mm）的焦距。实际焦点光斑直径在0.1~0.4mm之间。对于高质量的切割，有效焦深还和透镜直径及被切材料有关。例如用5〃的透镜切碳钢，焦深为焦距的+2%范围内,即5mm左右。因此控制焦点相对于被切材料表面的位置十分重要。顾虑到切割质量、切割速度等因素，原则上6mm的碳钢，焦点在表面之上；6mm的不锈钢，焦点在表面之下。具体尺寸由实验确定。
在工业生产中确定焦点位置的简便方法有三种：⑴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，打印直径较小处为焦点。⑵斜板法：用和垂直轴成一角度斜放的塑料板使其水平拉动，寻找激光束的较小处为焦点。⑶蓝色火花法：去掉喷嘴，吹空气，将脉冲激光打在不锈钢板上，使切割头从上往下运动，直至蓝色火花较大处为焦点。对于飞行光路的切割机，由于光束发散角，切割近端和远端时光程长短不同，聚焦前的光束尺寸有一定差别。入射光束的直径越大，焦点光斑的直径越小。为了减少因聚焦前光束尺寸变化带来的焦点光斑尺寸的变化，国内外激光切割系统的制造商提供了一些**的装置供用户选用：
⑴平行光管。这是一种常用的方法，即在CO2激光器的输出端加一平行光管进行扩束处理，扩束后的光束直径变大，发散角变小，使在切割工作范围内近端和远端聚焦前光束尺寸接近一致。
⑵在切割头上增加一独立的移动透镜的下轴，它与控制喷嘴到材料表面距离（stand off）的Z轴是两个相互独立的部分。当机床工作台移动或光轴移动时，光束从近端到远端F轴也同时移动，使光束聚焦后光斑直径在整个加工区域内保持一致。
⑶控制聚焦镜（一般为金属反射聚焦系统）的水压。若聚焦前光束尺寸变小而使焦点光斑直径变大时，自动控制水压改变聚焦曲率使焦点光斑直径变小。
⑷飞行光路切割机上增加x、y方向的补偿光路系统。即当切割远端光程增加时使补偿光路缩短；反之当切割近端光程减小时，使补偿光路增加，以保持光程长度一致。
激光刀模模切机用途优势和使用方法
激光刀模切割机是近几年才发展起来的模切机，该设备主要利用激光的强能量性对刀模板进行高深度烧蚀，从而达到安装切割刀的目的。
这种刀模加工工艺与传统的加工工艺相比工作效率高。传统加工方式受场地设备的影响而加工速度慢；而激光刀模机是大幅面、非接触式的，可以24小时全程运行。
所以，对于激光刀模切割机的应用可以明显加速企业的发展，提高经济效益。在印刷行业主要应用于纸箱模型的切割、裁剪等。
激光刀模模切机有几个优势：
(1)设计简单。传统加工是在刀模板上用铅笔或圆珠笔进行绘制，而后进行刀模切割;而使用了激光刀模机后，设计就可以直接在计算机上进行，不需要任何描绘。
(2)误差小。在传统制作中，刀模板是通过锯床锯的，在移动的过程中就会形成错位而产生误差;而激光刀模机是全自动运行，不需要人工干预的。
(3)激光刀模机的工作流程是: 首先在AUTOCAD或CORELDRAW里将需要制作的刀模设计好，再存储为相应的图形格式，如DXF、PLT格式。打开生产企业的专业控制软件，将文件导入，设置好相应的参数后开动设备就可以运行了。
制作激光刀模所需要配置：制作激光刀模机
所需的配套设备主要有：激光刀模机，电脑弯刀机，激光刀模绘图机。
各种刀模的优劣对比，教你如何选择合适的刀模？
认识刀模
刀的种类从刀锋角度，刀身和刀锋的硬度，刀锋的纹路，刀锋和刀身的表面加工工艺来区分的话，就不下 100多种。
刀模的开发与制作是建立在，深刻理解客户产品需求信息和对材料有相当了解的基础上的。客户要表达的信息，都呈现在那张设计图上，所以要审图在先，把客户的要求转换成自己的工艺流程，较终产品的呈现。
设计生产工艺流程，就要求工程人员对材料有相当的认识。还有另一个要素就是，对自己公司的机器的性能也要相当的了解，可以这样说：认识材料、了解机器生产性能，这是工程师必须*的基本功。
知道客户要得到的是什么、知道材料的属性、再联想我们机器的生产性能，在脑海中构造生产时的情景，会出现的问题，怎样解决？解决的方案就是你设计的工艺流程，而刀模就是能把你的所思所想变成现实的重要工具。能否达成客户的需求，就看你那把刀制作的怎样了。
激光刀模
利用激光的强能量性对刀模板进行高深度烧蚀，从而达到安装切割刀的目的。
蚀刻刀模
蚀刻刀模、雕刻刀模是继激光刀模后发展出的一种精度高、难度高、刀口无缝、切断线条光滑、重复精度高的刀模。其主要应用于软性电路板 FPC，电子薄膜，偏光片，背光片，透光片，折射片，不干胶，纸工艺， 麦拉片PET……
雕刻刀模
在模切行业中比较常用的产品，一般用于冲压出所需的模切产品的形状。其精度较高。
五金刀模
利用上下各三块特种钢材板夹结构的套合冲切模具，在基板之沿封闭或敞开轮廓线使材料产生分离的。五金刀模下模的寿命和孔的刀口高度有直接联系，刀口无法再研磨时五金模的寿命就结束了。
QDC模具
QDC 模即采用模块组合的方式，使用雕刻刀模或腐蚀刀模安装到五金冲模模座中，进行冲切、清废；可以根据不同的模切需要进行快速模具更换，兼顾刀模的优势和冲模的精度、稳定性。
各种刀模优缺点对比
蚀刻刀模与激光刀模对比：
蚀刻刀模
激光刀模
1.成品设计限制小：角度及窄小缝隙依然能成型，适用于电子材料的模切
1.成品外形设计较大限制多，适用于一般彩盒或较要求不高的工件
2.刀面平整、替换快，节省因测试时所耗费的材料与时间
2.刀面平整度较差，常须使用垫片调整，需专业人员操作，耗时费材
3.同一套刀具，可轻易做高低刀组合，面对复杂工件可一次成型，符合时间与精度要求
3.高低刀组合较难控制
4.同一刀口可变化不同角度，应对多种不同材料变化
4.只能制作一种角度，无法变化
5.无缝刀口、且垂直度佳、切断面光滑。尤其用于光学膜
5.刀口有接缝
6.调模时间短
6.调模时间长
7.数个同图形在同一模上，尺寸趋近相同
7. 数个同图形在同一模上，尺寸相差较大
8.同一把刀重复制作，误差趋近于零
8.同一把刀重复制作，误差较大
木模与蚀刻模、镜面蚀刻刀模优、缺点比较：
木模
蚀刻模
镜面蚀刻模
优点
1.单价低；
2.镜面、无毛刺；
3.交期快(12 小时内)。
1.无接刀口；
2.尺寸不变；
3.模切次数较多。
1.镜面处理后的蚀刻模不会产生毛刺等问题；
2.所有蚀刻模的优点都存有。
3.交期尽量改善至 12 小时内；
4.单价可议(推广时间)。
缺点
1.有接刀口；
2.尺寸会因外部因素而改变；
3.模切次数不够多。
1.单价偏高；
2.因无镜面处理故裁切背光模 (如扩散片、菱镜片等)时易产生毛 刺、粉尘等问题。
模切不同的材料要用不同的刀片才能达到较佳效果。还有刀模、材料、弹力海绵垫的3者的配合也至关重要。有一些材料经过模切后会产生尺寸变异，要做出好的刀模，也是需要刀模厂对材料的特性有了解，然后制定相应的加工工艺。
激光切割穿孔技术
任何一种热切割技术，除少数情况可以从板边缘开始外，一般都必须在板上穿一小孔。早先在激光冲压复合机上是用冲头先冲出一孔，然后再用激光从小孔处开始进行切割。对于没有冲压装置的激光切割机有两种穿孔的基该方法：
⑴爆破穿孔：（Blast drilling），材料经连续激光的照射后在中心形成一凹坑，然后由与激光束同轴的氧流很快将熔融材料去除形成一孔。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，因此对较厚的板爆破穿孔孔径较大,且不圆，不宜在要求较高的零件上使用（如石油筛缝管），只能用于废料上。此外由于穿孔所用的氧气压力与切割时相同，飞溅较大。
⑵脉冲穿孔：（Pulse drilling）采用高峰值功率的脉冲激光使少量材料熔化或汽化，常用空气或氮气作为辅助气体，以减少因放热氧化使孔扩展，气体压力较切割时的氧气压力小。每个脉冲激光只产生小的微粒喷射，逐步深入，因此厚板穿孔时间需要几秒钟。一旦穿孔完成，立即将辅助气体换成氧气进行切割。这样穿孔直径较小，其穿孔质量优于爆破穿孔。为此所使用的激光器不但应具有较高的输出功率；更重要的是光束的时间和空间特性，因此一般横流CO2激光器不能适应激光切割的要求。此外脉冲穿孔还需要有较可靠的气路控制系统，以实现气体种类、气体压力的切换及穿孔时间的控制。在采用脉冲穿孔的情况下，为了获得高质量的切口，从工件静止时的脉冲穿孔到工件等速连续切割的过渡技术应以重视。从理论上讲通常可改变加速段的切割条件：如焦距、喷嘴位置、气体压力等，但实际上由于时间太短改变以上条件的可能性不大。在工业生产中主要采用改变激光平均功率的办法比较现实，具体方法有以下三种：⑴改变脉冲宽度；⑵改变脉冲频率；⑶同时改变脉冲宽度和频率。实际结果表明，*⑶种效果较好。
关键技术二
喷嘴设计及控制技术
激光切割钢材时，氧气和聚焦的激光束是通过喷嘴射到被切材料处，从而形成一个气流束。对气流的基本要求是进入切口的气流量要大，速度要高，以便足够的氧化使切口材料充分进行放热反应；同时又有足够的动量将熔融材料喷射吹出。因此除光束的质量及其控制直接影响切割质量外，喷嘴的设计及气流的控制（如喷嘴压力、工件在气流中的位置等）也是十分重要的因素。如今激光切割用的喷嘴采用简单的结构，即一锥形孔带端部小圆孔。通常用实验和误差方法进行设计。由于喷嘴一般用紫铜制造，体积较小，是易损零件，需经常更换，因此不进行流体力学计算与分析。在使用时从喷嘴侧面通入一定压力Pn（表压为Pg）的气体，称喷嘴压力，从喷嘴出口喷出，经一定距离到达工件表面，其压力称切割压力Pc,最后气体膨胀到大气压力Pa。研究工作表明随着Pn的增加，气流流速增加，Pc也不断增加。
可用下列公式计算：V=8.2d2(Pg+1）
V-气体流速 L/min
d-喷嘴直径 mm
Pg-喷嘴压力（表压）bar
对于不同的气体有不同的压力阈值，当喷嘴压力**过此值时，气流为正常斜激波，气流速从亚音速向**音速过渡。此阈值与Pn、Pa比值及气体分子的自由度（n）两因素有关：如氧气、空气的n=5，因此其阈值Pn=1bar×（1.2）3.5=1.89bar。当喷嘴压力更高Pn/Pa=（1+1/n)1+n/2时（Pn；4bar），气流正常斜激波封变为正激波，切割压力Pc下降，气流速度减低，并在工件表面形成涡流，削弱了气流去除熔融材料的作用，影响了切割速度。因此采用锥孔带端部小圆孔的喷嘴，其氧气的喷嘴压力常在3bar以下。
为进一步提高激光切割速度，可根据空气动力学原理，在提高喷嘴压力的前提下不产生正激波，设计制造一种缩放型喷嘴，即拉伐尔（Laval）喷嘴。为方便制造可采用如图4的结构。德国汉诺威大学激光中心使用500WCO2激光器，透镜焦距2.5〃，采用小孔喷嘴和拉伐尔喷嘴分别作了试验，见图4。试验结果如图5所示：分别表示NO2、NO4、NO5喷嘴在不同的氧气压力下，切口表面粗糙度Rz与切割速度Vc的函数关系。从图中可以看出NO2小孔喷嘴在Pn为400Kpa（或4bar）时切割速度只能达到2.75m/min（碳钢板厚为2mm）。NO4、NO5二种拉伐尔喷嘴在Pn为500Kpa到600Kpa时切割速度可达到3.5m/min和5.5m/min。应指出的是切割压力Pc还是工件与喷嘴距离的函数。由于斜激波在气流的边界多次反射，使切割压力呈周期性的变化。
关键技术三
**高切割压力区紧邻喷嘴出口，工件表面至喷嘴出口的距离约为0.5~1.5mm，切割压力Pc大而稳定，是如今工业生产中切割手扳常用的工艺参数。*二高切割压力区约为喷嘴出口的3~3.5mm，切割压力Pc也较大，同样可以取得好的效果，并有利于保护透镜，提高其使用寿命。曲线上的其他高切割压力区由于距喷嘴出口太远，与聚焦光束难以匹配而无法采用。
综上所述，CO2激光器切割技术正在中国工业生产中得到越来越多的应用,国外正研究开发更高切割速度和更厚钢板的切割技术与装置。为了满足工业生产对质量和生产效率越来越高的要求，必须重视解决各种关键技术及执行质量标准，以使这一新技术在中国获得更广泛的应用。
激光切割
激光切割可对金属或非金属零部件等小型工件进行精密切割或微孔加工，具有切割精度高、速度快、热影响小等优点。3C产品上常见的激光切割工艺有：蓝宝石玻璃手机屏幕激光切割、摄像头保护镜片激光切割、手机Home键激光切割、FPC柔性电路板激光切割、手机听筒网激光打孔等等。
激光先进加工技术在3C行业的应用
激光先进加工技术在3C行业的应用
手机Home键激光切割
手机内部的摄像头支架非常精细，它的精度直接影响到手机摄像头的安装。为了保证拍照效果，每一个摄像头产品要保持较高的一致性，切割支架的时候需要用到**切割夹具，还有可能用到高清晰CCD进行定位。
锦帛方激光精密激光切割机，采用原装进口精细切割头，采用先进切割工艺，通过变频控制实现降低毛刺，提高产品精度。切割一致性好无变形，没有刮渣和毛刺。这样的精度和加工效率是传统加工方式无法比拟的。
激光切割原理是由电子放电作为供给能源，通过He、N2、CO2等混合气体为激发媒介，利用反射镜组聚焦产生激光光束，从而对材料进行切割。
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