激光切割解析
1、汽化切割
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如此之快，足以避免热传导造成的熔化，于是部分材料汽化成蒸汽消失，部分材料作为喷出物从切缝底部被辅助气体流吹走。
2、熔化切割
当入射的激光束功率密度**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。小孔被熔化物质所包围，然后，与光束同轴的辅助气流把孔洞四周的熔融材料带走。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*照射，熔化材料持续或脉动地从缝内被吹走。
3、氧化熔化切割
熔化切割一般使用惰性气体，假如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。
4、控制断裂切割
对于轻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。
激光切割的原理
激光切割是用聚焦镜将激光束聚焦在材料表面，使材料熔化,同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定外形的切缝。
激光切割的应用领域
机床、工程机械、电气开关制造、电梯制造、粮食机械、纺织机械、机车制造、农林机械、食品机械、特种汽车、石油机械制造、、环保设备、家用电器制造、大电机硅钢片等各种机械制造加工行业。
激光切割的显着优势
1．精度高：定位精度0.05mm，重复定位精度0.02 mm
2．切缝窄：激光束聚焦成很小的光点，使焦点处达到很高的功率密度，材料很快加热至气化程度，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。切口宽度一般为0.10～0.20mm。
3．切割面光滑：切割面无毛刺，切口表面粗糙度一般控制在Ra12.5以内。
4．速度快：切割速度可达10m/min，较大定位速度可达70m/min，比线切割的速度快很多。
5．切割质量好：无接触切割，切边受热影响很小，基本没有工件热变形，完全避免材料冲剪时形成的塌边，切缝一般不需要二次加工。
6．不损伤工件：激光切割头不会与材料表面相接触，保证不划伤工件。
7．不受被切材料的硬度影响：激光可以对钢板、不锈钢、铝合金板、硬质合金等进行加工，不管什么样的硬度，都可以进行无变形切割。
8．不受工件外形的影响：激光加工柔性好，可以加工任意图形，可以切割管材及其它异型材。
9．可以对非金属进行切割加工：如塑料、木材、PVC、 皮革、纺织品、**玻璃等。
10．节约模具投资：激光加工不需模具，没有模具消耗，无须修理模具，节约更换模具时间，从而节省了加工费用，降低了生产成本，尤其适合大件产品的加工。
11．节省材料：采用电脑编程，可以把不同外形的产品进行整张板材料套裁，较大限度地提高材料的利用率。
12．提高新产品开发速度：产品图纸形成后，马上可以进行激光加工，在较短的时间内得到新产品的实物。
激光切割技术概要及激光切割精度
激光束聚焦成很小的光点其较小直径可小于0.1mm，使焦点处达到很高的功率密度可**过106W／cm2。这时光束输入(由光能转换)的热量远远**过被材料反射、传导或扩散部分，材料很快加热至汽化湿度，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(如0.1mm左右)的切缝。切边热影响很小，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气体。钢切割时得用氧作为辅助气体与溶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气体。进入喷嘴的辅助气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**与无机都可以用激光切割。在工业制造占有分量很重的金属加工业，许多金属材料，不管它具有什么样的硬度，都可进形无变形切割(目前使用较先进的激光切割系统可切割工业用钢的厚度已可接近20mm)。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(某些难切割材料可使用脉冲波激光束进行切割，由于较高的脉冲波峰值功率，会使材料对光束的吸收系数瞬间急剧提高)。
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，由于微机程序的现代化激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件 (工件图纸也可修改)，它往往比冲切、模压工艺更被**选用；尽管它加工速度慢于模冲，但它没有模具消耗，*修理模具，还节约更换模具时间，从而节省加工费用，降低产品成本，所以从总体上讲在经济上更为合算。
另一方面，从如何使模具适应工件设计尺寸和形状变化角度看，激光切割也可发挥其精确、重现性好的优势。作为层叠模具的**制造手段，由于不需要高级模具制作工，激光切割运转费用也并不昂贵，因此还能显著地降低模具制造费用。激光切割模具还带来的附加好处是模具切边会产生一个浅硬化层(热影响区)，提高模具运行中的耐磨性。激光切割的无接触特点给圆锯片切割成形带来无应力优势，由此提高了使用寿命。
常用工程材料的激光切割
1.金属材料的激光切割
虽然几乎所有的金属材料在室温对红外波能量有很高的反射率，但发射处于远红外波段1.064um光束的灯泵浦ND:YAG激光器及10.6μmCO2激光器还是成功的应用于许多金属的激光切割实践
2.非金属材料的激光切割10.6μm波长的CO2激光束很容易被非金属材料吸收，导热性不好和低的蒸发温度又使吸收的光束几乎整个输入材料内部，并在光斑照射处瞬间汽化，形成起始孔洞，进入切割过程的良性循环。
激光切割的精度
激光切割的精度由多方面因素组成：
1、激光束通过聚焦后的光斑的大小
激光束聚集后的光斑越小，切割精度越高，特别是切缝较小，较小的光斑可达0.01mm。
2、工作台的走位精度决定着切割的重复精度
工作台精度越高，切割的精度越高。
3、工件厚度越大，精度越低，切缝越大。
由于激光光束为锥形，切缝也是锥形，厚度0.3MM的不锈钢比2MM的切缝小的多。
4、工件材质对激光切割精度有一定影响。
同样情况下，不锈钢要比铝的切割精度高，切面光滑一些。
激光切割机的切割质量好。切口宽度窄(一般为0.1--0.5mm)、精度高(一般孔中心距误差0.1--0.4mm,轮廓尺寸误差0.1--0.5mm)、切口表面粗糙度好(一般Ra为12.5--25μm)，切缝一般不需要再加工即可焊接。
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。
刀模的加工制作
我们以蚀刻刀模的制作工艺流程为例来了解刀模的加工制作：蚀刻刀模工艺流程概述
1
接单
接单部门负责接收客户邮件，及并与客户沟通制作要求、报价、交货时间方式。待客户确认之后即开模具制作单，开始排版较终把图纸做成腐蚀**菲林，连工单一起交予腐蚀部。
2
腐蚀
腐蚀部门接到菲林与工单，确认板厚、刀高、材料、种类之后，即进行贴菲林晒版和曝光。最后经过药水处理之后显出模具雏形，如曝光工作未做好，需对图形进行修补之后才可进入腐蚀机内进行腐蚀。达到要求之后即可取出，洗去药水积炭之后，即可送入下一部门，所以腐蚀部是对模具的一个粗加工部门。
3
CNC雕刻
雕刻部门接到粗加工之后的刀模，目检确认之后即放入机台进行加工。由于模具大小及难易程度刀线长 短的不同，进行制作时间有所差距一般刀模1—4小时，特殊的需8小时甚至24小时以上才可完成 CNC 加工。完成之后班长进行检验，初步确定没有问题，才可送入QC。
4
QC
QC负责检验刀模尺寸、刀模刀锋等等，并负责制作检验报告，之后送入热处理。
5
根据材料不同分为两种处理方式
材料不含不干胶的进行一般热处理即可，不干胶材料除了进行热处理增加硬度之外，还要进行镀铁氟龙的处理，铁氟龙可使冲切的产品不粘刀模，但是由于工艺特殊，镀铁氟龙不会影响刀模的锋利度。由主管在检验报告上盖章之后刀模即可进行包装出货。
6
镜面处理
本处理可去除刀模刀锋侧边微小纹路，达到镜面效果，可有效解决产品冲切抽刀时带出毛刺粉尘的问题，使产品边缘平整光滑。适用于冲切的要求较高的产品。
激光加工在锂电池生产中的应用
与传统的机械加工相比，激光加工拥有无工具磨损、切割形状灵活、边缘质量控制、精确性更高和运营成本较低等优势。
而锂电池因为其优异的性能，被广泛应用于电子品消费、机动车和能源市场，它的生产技术革新显得尤为重要。
锂电池的生产步骤是典型的“roll-to-roll”过程，需经历两道加工步骤——薄膜到单个电池、以及单个电池组装成电池系统。典型的锂电池有三层薄膜——阳极膜、隔离膜和阴极膜，如下图所示。
电极镀层厚度通常为100 μm，而隔离膜为50 μm。阳极膜是镀石墨的铜膜，阴极膜是镀锂金属氧化物的铝膜，隔离膜则由聚丙烯和聚乙烯构成。锂电池生产过程：
由于对精确性、可控性和加工机器的质量要求较高，金属箔分切（foil slitting），金属箔切割（foil cutting），标签清洗（tab cleaning）和隔离膜切割（separator foil cutting）等环节更适合使用激光进行加工。与传统的机械加工相比，激光加工拥有无工具磨损、切割形状灵活、边缘质量控制、精确性更高和运营成本较低等优势。
金属箔分切（foil slitting）
金属箔分切环节是指根据电池的设计，将一卷金属箔沿长边切成细长条。适用于该环节的是红外脉冲激光，可以高速高质量地分切电极镀层。如果对分切宽度和质量有更精密的要求，也可以考虑脉冲绿光和紫外光。
金属箔切割（foil cutting）
金属箔切割环节是指参照电池的设计，将细长条状的阳极膜和阴极膜切割成需要的形状。根据电池设计不同以及金属箔卷是否完整镀膜，可以选择或调整光束使之切割镀层或仅切割金属箔。该环节适用的激光器与铝箔分切环节相同。
标签清洗（tab cleaning）
特定情况下，需要移除石墨和锂金属氧化物以显露出裸铜或铝箔标签。该步骤的关键在于移除镀膜材料的同时不损害其下方的金属箔。脉冲红外激光较适合该环节。
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