激光打孔和切割專題培訓(xùn)課件

3.1激光打孔和切割1、激光打孔在元件上開個(gè)小孔是件很常見的事。但是，如果要求在堅(jiān)硬的材料上，比如在硬質(zhì)合金上打大量0.1毫米到幾微米直徑的小孔，用普通的機(jī)械加工工具怕是不容易辦到，即使能夠做，加工成本也會(huì)很高?，F(xiàn)有的機(jī)械加工技術(shù)在材料上打微型小孔是采用每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)或者幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)小鉆頭加工的，用這個(gè)辦法一般也只能加工孔徑大于0.25毫米的小孔。在今天的工業(yè)生產(chǎn)中往往是要求加工直徑比這還小的孔。比如在電子工業(yè)生產(chǎn)中，多層印刷電路板的生產(chǎn)，就要求在板上鉆成千上萬(wàn)個(gè)直徑約為0.1～0.3毫米的小孔。顯然，采用剛才說的鉆頭來(lái)加工，遇到的困難就比較大，加工質(zhì)量不容易保證，加工成本不低。早在本世紀(jì)60年代后，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室就用激光在鋼質(zhì)刀片上打出微小孔，經(jīng)過近30年的改進(jìn)和發(fā)展，如今用激光在材料上打微小直徑的小孔已無(wú)困難，而且加工質(zhì)量好。打出的小孔孔壁規(guī)整，沒有什么毛刺。打孔速度又很快，大約千分之一秒的時(shí)間就可以打出一個(gè)孔。2019/12/20激光打孔原理：加工頭將激光束聚焦在材料上需加工孔的位置，適當(dāng)選擇各加工參數(shù)，激光器發(fā)出光脈沖就可以加工出需要的孔。2019/12/201）、功率密度要求106~109W/cm2的脈沖激光2）、孔深（激光打孔宜采用高功率密度的脈沖激光打孔。）Tb沸點(diǎn)溫度T0初始室溫a0光斑半徑2019/12/203）、打孔質(zhì)量的影響因素（脈寬和聚焦位置）怎樣用好激光“鉆頭”？A、脈沖能量一定時(shí)：脈寬增加，功率密度下降，融熔了的材料沒有辦法充分汽化，卻把在它附近的材料加熱，使熔化層增厚，結(jié)果，被打出來(lái)的小孔在形狀大小上就不那么規(guī)整。如果使用的是高重復(fù)率激光器輸出的光脈沖，這時(shí)每個(gè)光脈沖平均的能量并不很高，但由于光脈沖的寬度窄，功率水平卻不低。于是每個(gè)激光脈沖在材料上形成的融熔體不多，主要是發(fā)生汽化。由于使小孔附近的材料加熱時(shí)融熔體很少，因而也就不出現(xiàn)在用單脈沖打孔時(shí)出現(xiàn)的事。打出的小孔形狀和大小就規(guī)整得多了。B、焦點(diǎn)位置的選擇：對(duì)于比較厚的材料，激光束焦點(diǎn)位置應(yīng)位于工件的內(nèi)部，如果材料比較薄，激光束焦點(diǎn)需放在工件表面的上方。這樣的安排會(huì)讓打出來(lái)的小孔上下大小基本上一致，不出現(xiàn)“桶狀”的小孔。2019/12/20離焦量對(duì)打孔質(zhì)量的影響※激光打孔中離焦量對(duì)打孔的影響2019/12/204）、激光打孔的應(yīng)用陶瓷·Φ0.5mm孔·激光打孔2019/12/20葉片是噴氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一。工作狀態(tài)下，該部件在高溫燃?xì)庵懈咚傩D(zhuǎn)。為提高葉片的耐高溫性能，人們正在積極研制一種新型葉片，該葉片具有特殊的中空結(jié)構(gòu)，并在表面用激光打孔工藝制作了一系列與中空部分貫通的小孔。工作時(shí)向葉片中空部分不斷灌入冷氣，經(jīng)小孔泄出后在葉片表面形成冷氣保護(hù)膜。這樣葉片雖處于高溫燃?xì)庵?，其本身溫度相?duì)而言并不很高。顯然，這種設(shè)計(jì)極大地改善了葉片的耐高溫性能，有益于延長(zhǎng)葉片的使用壽命。葉片·Φ0.5mm小孔·激光打孔2019/12/20過濾板·82萬(wàn)個(gè)Φ0.7mm孔(3mm厚不銹鋼板)國(guó)家電力公司《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》第11.3.1.1及11.3.1.2條發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)濾網(wǎng)需要將鋼絲、銅絲濾網(wǎng)等更換為激光打孔的不銹鋼板新型水過濾器濾網(wǎng)，防止濾網(wǎng)破碎進(jìn)入發(fā)電機(jī)線圈。采用了高強(qiáng)度激光打出的微孔不銹鋼網(wǎng)板，可阻擋雜質(zhì)及顆粒進(jìn)入發(fā)電機(jī)線棒，防止雜質(zhì)堆積造成線棒阻塞的事故發(fā)生。2019/12/20治療冠心病的最后一招心肌激光打孔

心肌激光打孔術(shù)的“靈感”源于鱷魚、蛇等兩棲類動(dòng)物。早在1933年就有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)兩棲類動(dòng)物的心外膜冠脈系統(tǒng)不發(fā)達(dá)，心肌呈海綿狀，內(nèi)有大量的管狀腔隙及竇狀隙與心腔相通。兩棲類動(dòng)物的心肌血供并非來(lái)自冠脈系統(tǒng)，而是左室腔內(nèi)的氧飽和血通過心肌內(nèi)腔隙直接灌注到心肌。1965年醫(yī)生們?cè)囍捎冕橆^穿刺心肌產(chǎn)生心肌內(nèi)孔道以達(dá)到心肌血運(yùn)重建的目的。80年代以后，應(yīng)用激光進(jìn)行心肌血運(yùn)重建獲得成功。激光心肌血管重建手術(shù)分為兩類：一是心外膜法，即開胸式，是從心外膜向心腔內(nèi)打孔，直至將心肌打穿形成隧道。另一種是心內(nèi)膜法，它是將激光通過光導(dǎo)纖維從股動(dòng)脈進(jìn)入左心室，從左心室心內(nèi)膜向外打孔形成隧道，但不需要打穿心肌。它可以做到創(chuàng)傷很小，在心內(nèi)科即可操作。2019/12/20激光打孔主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。國(guó)內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機(jī)葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的生產(chǎn)中。

目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主，也有一些準(zhǔn)分子激光器、同位素激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。

A、金剛石拉絲模的激光打孔激光加工金剛石模具，不僅能節(jié)省許多昂貴的鉆石粉，而且與常規(guī)的機(jī)械超聲加工法相比，提高了加工效率。用機(jī)械鉆孔機(jī)打通一個(gè)20點(diǎn)的金剛石需要24小時(shí)，而用激光僅需10分。單脈沖激光打孔的孔深小于1mm，對(duì)應(yīng)的孔徑為0.005~0.4mm；多脈沖激光打孔的孔深可達(dá)3mm，最大孔徑可達(dá)1mm。2019/12/20B、脈沖YAG激光打精密孔例如用脈沖YAG激光能在厚度為1mm的珍珠寶石上打出16個(gè)直徑為0.2mm的高精度系列孔，加工精度為±0.03mm，孔間隔為0.01mm，加工速率為每分鐘打一個(gè)孔。用脈沖YAG激光對(duì)0.005mm厚的鈦和鉬薄箔進(jìn)行打孔，孔徑可達(dá)0.02mm；用脈沖YAG激光對(duì)0.07mm厚的氧化鋁陶瓷材料打孔，孔徑為0.15mm，打孔精度為±

0.2mm。C、脈沖CO2激光打孔像鋼鐵之類的金屬材料對(duì)YAG波長(zhǎng)激光吸收率較高，故宜采用YAG激光打孔。但是，陶瓷、玻璃和塑料之類的非金屬材料對(duì)CO2激光具有較高的吸收率。因此對(duì)這類非金屬材料適合采用脈沖CO2激光打孔。此外普通香煙過濾嘴上的小孔、噴霧器閥門上的小孔，也在采用激光加工。噴霧器罐和瓶子頸部都有一個(gè)用來(lái)控制壓縮物質(zhì)（比如除臭劑、油料或者其他液體）的流量，閥門使用的性能就由噴霧器上這只小孔來(lái)決定了。這只小孔的直徑為10微米到40微米，用其他機(jī)械加工方法不那么好做，用激光來(lái)加工，能保證質(zhì)量，每小時(shí)還可以打4萬(wàn)個(gè)小孔呢！2019/12/202019/12/202、激光切割1）、激光切割工作原理激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超過激光閾值的激光功率密度的前提下，激光束的能量以及活性氣體輔助切割過程所附加的化學(xué)反應(yīng)熱能全部被材料吸收，由此引起激光作用點(diǎn)的溫度急劇上升，達(dá)到沸點(diǎn)后材料開始?xì)饣?，并形成孔洞，隨著光束與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最終使材料形成切縫，切縫處的熔渣被一定的輔助氣體吹除。2019/12/202）、激光切割的特點(diǎn)G、噪聲低，無(wú)公害A、切割速度快，熱影響區(qū)小。熱影響層深度0.05--0.1mm，熱畸變形小。F、可在大氣中或任意氣體環(huán)境中進(jìn)行切割，不需真空裝置。E、激光束聚焦后功率密度高，能切割各種材料，如高熔點(diǎn)材料、硬脆材料。C、無(wú)刀具磨損，沒有接觸能量損耗，也不需更換刀具，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。B、切割質(zhì)量好。切口邊緣平滑，無(wú)塌邊，無(wú)切割殘?jiān)?。?duì)輪廓復(fù)雜和小曲率半徑等外形均能達(dá)到微米級(jí)精度的切割。割縫窄。一般為0.1--1mm。2019/12/203）激光切割分類※汽化切割:工件在激光作用下快速加熱至沸點(diǎn)，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料為噴出物從切割縫底部吹走。這種切割機(jī)制所需激光功率密度一般為108Ｗ/cm2左右，是無(wú)熔化材料的切割方式，適用木材、塑料等?！刍懈?激光將工件加熱至熔化狀態(tài)，與光束同軸的氬、氦、氮等輔助氣流將熔化材料從切縫中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般為107Ｗ/cm2左右，適合金屬材料?！踔刍懈?金屬被激光迅速加熱至燃點(diǎn)以上，與氧發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)（即燃燒），放出大量的熱，又加熱下一層金屬，金屬被繼續(xù)氧化，并借助氣體壓力將氧化物從切縫中吹掉。適用金屬材料。2019/12/20聚焦能力與它光束模式有關(guān)?；?TEM00)，光斑內(nèi)能量呈高斯分布，幾乎可把光束聚焦到理論上最小的尺寸。而高階或多模光束的能量分布較擴(kuò)張，經(jīng)聚焦的光斑較大而能續(xù)密度較低，用它來(lái)切割材料猶如一把鈍刀。4)、影響激光切割質(zhì)量的因素激光切割質(zhì)量包括：影響激光切割質(zhì)量的因素：割縫入口處輪廓清晰，割縫窄、割縫邊的熱影響層小，無(wú)切割粘渣，切割表面光潔等。激光功率、激光振蕩模式、焦點(diǎn)位置、輔助氣體和切割速度等。A、激光功率：激光功率增加、其切割速度和工件的切割厚度增加，但切割效率降低。確定切割速度和切割厚度的主要參數(shù)是激光的功率和材料的性能。B、光束模式2019/12/20焦點(diǎn)位置對(duì)熔深和熔池形狀的影響很大。這種影響對(duì)切割雖不像對(duì)焊接那樣大，但無(wú)疑影響切割質(zhì)量。圖所示為采用激光切割5mm厚高合金鋼板時(shí)的焦點(diǎn)價(jià)置與切割縫寬度的關(guān)系曲線。由圖可知；在焦距位置距工件表面1mm處所得到的割縫最窄。透鏡焦長(zhǎng)小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。它適用于簿件高速切割，此時(shí)應(yīng)使焦距的位置維持恒定不變：長(zhǎng)焦透鏡的聚焦光斑功率密度低，但其焦深大，可用來(lái)切割厚材料：板材越厚，焦點(diǎn)位置的正常范圍越窄。C、焦點(diǎn)位置2019/12/20※與金屬產(chǎn)生放熱化學(xué)反應(yīng)，增加能量強(qiáng)度?！鶑那懈顓^(qū)吹掉熔渣，清潔切縫；※冷卻切縫鄰近區(qū)域，減小熱影響尺寸；※保護(hù)聚焦透鏡，防止燃燒產(chǎn)物沾污光學(xué)鏡片。D、輔助氣體和噴嘴輔助氣體的作用是：噴嘴的設(shè)計(jì)原則※噴嘴孔尺寸必須容許光束順利通過，避免孔內(nèi)光束與噴嘴接觸。※噴嘴噴出的輔助氣流必須能使去除切縫內(nèi)熔融物和加強(qiáng)切割作用有效耦合。氣流量與噴嘴尺寸關(guān)系2019/12/20E、切割速度:在一定功率條件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度對(duì)切口表面粗糙度也有較大影響。激光切割對(duì)氣流的基本要求是進(jìn)入切口的氣流量要大，速度要高，以便有充足的氧氣使切口材料充分進(jìn)行放熱反應(yīng)，并有足夠的動(dòng)量將熔融材料噴射帶出。而這些都與氣流作用在工件表面的滯止壓力有關(guān)，可稱之為切割壓力。為了得到高的切割速度和切口質(zhì)量，切割壓力應(yīng)該大。當(dāng)Pn/Pa=3，噴出超音速氣流2019/12/205)、金屬材料激光切割A(yù)、激光器：快軸流CO2激光器B、切割參數(shù)：2019/12/20C、影響激光切割質(zhì)量的因素：激光切縫表面的切縫寬度和熱影響區(qū)均隨激光切速的增加而減小，并在切縫下表面切縫的寬度和熱影響區(qū)最小。2019/12/20切縫寬度和熱影響區(qū)與激光切速關(guān)系。2019/12/20焦點(diǎn)位置對(duì)切口粗糙度的影響2019/12/20噴嘴的形狀和大小及吹氧壓力對(duì)激光切割質(zhì)量有較大影響2019/12/20吹氣壓力與切割速度關(guān)系2019/12/20幾種切割方式的比較2019/12/206）、非金屬激光切割A(yù)、激光器：CWCO2激光器，不超過500w的中等激光功率。B、所需的激光功率：Q材料蒸發(fā)所需的能量（KJ/cm3）W切縫寬（cm）L板厚（cm）V切割速度（cm/s）2019/12/20對(duì)于非金屬材料，Q值可以小于0.4kJ·cm-3，而對(duì)于玻璃類材料，Q值高于100kJ·cm-3。2019/12/20到目前為止，激光可用來(lái)切割木材、紙張、布匹、塑料、橡膠、復(fù)合材料、玻璃及陶瓷等非金屑材料。例如用激光切割木材可大大減少噪聲。用激光切割紙張，切速高達(dá)15m/s。激光用于切割航空行業(yè)中的復(fù)合材料也越來(lái)越普遍。激光裁剪布料，不僅可省料15％，且裁紋質(zhì)量好，裁剪后的布料無(wú)毛邊。化纖衣料的激光裁剪不需要收邊，可以省去拷邊工序。用計(jì)算機(jī)控制的激光切割機(jī)，可將所有衣服的祥式與尺寸存儲(chǔ)到磁盤上，按一下控制健就可以得到所需的布料。例如休斯公司開發(fā)的激光裁剪機(jī)，裁剪速度達(dá)61m/min，每小時(shí)激光可裁剪40~50套服裝。目前美、英服裝公司均采用激光裁剪機(jī)裁剪布料。非金屬材料的激光切割應(yīng)用前景2019/12/203.5、激光打孔技術(shù)1、激光打孔的物理機(jī)制2、激光打孔的影響因素3、激光打孔的特點(diǎn)與應(yīng)用4、激光打孔的新技術(shù)思考：1、如何打一個(gè)錐度非常小的小孔？2、連續(xù)激光能不能打孔，為什么？2019/12/201、激光打孔的物理機(jī)制金屬材料被功率密度為106—109W/cm2的激光輻射時(shí)，因激光功率密度很高，會(huì)使材料表面的溫度超過沸點(diǎn)而產(chǎn)生熔化或者汽化，并將表面被氧化的分裂混合物噴射出來(lái)。在激光脈沖末尾，激光功率密度降低，分裂的噴射物減弱。隨著分裂物的噴射，汽化以一定的速度向材料內(nèi)部移動(dòng)，材料被汽化去除，孔被逐漸加深，隨著孔的直徑和深度的增加，分裂物相繼被蒸汽壓去除，最后形成一個(gè)深孔。2019/12/20Increasingofnumbersoflaserpulse2019/12/20激光打孔分類單脈沖多脈沖掩膜輪廓迂回法2019/12/202、激光打孔的影響因素（1）脈沖能量（2）脈沖寬度（3）脈沖波形（4）激光模式（5）聚焦條件（焦距，離焦量）（6）材料特性（物理特性、外形尺寸）（7）多脈沖打孔（8）激光打孔的輔助工藝2019/12/20（1）脈沖能量Lm，Lv

分別為材料的熔化和汽化潛熱。這時(shí)材料的去除質(zhì)量即為πa02d’ρ.C:比熱容,Tb:熔點(diǎn)溫度,T0:室溫,E0:脈沖能量忽略熱傳導(dǎo)和表面發(fā)射一次氣化深度2019/12/20（2）脈沖寬度脈寬的選擇由孔的要求而定：打深而小的孔，宜采用較長(zhǎng)的脈沖打大而淺的孔，宜采用較短的脈沖高質(zhì)量的孔，宜采用較短的脈沖導(dǎo)熱性差的材料，宜采用較短的脈沖脈寬增大，較多的熱作用于材料的非破壞性加熱，使材料變形大，熱應(yīng)力大，易出現(xiàn)裂紋，一般采用0.3~0.7ms脈寬2019/12/201–

低脈沖能量和長(zhǎng)脈沖時(shí)間Thepulsepowerdensityislower106W/cm2andpulsedurationisaroundms~us.Theheating,meltingandevaporationaredescribingthewholeprocessofthelaserdrilling.Thethermaleffectsplaythemainrole.2019/12/202–

高脈沖能量和短或超短脈沖時(shí)間Thepulsepowerdensityishigher107W/cm2andpulsedurationspanfromapproximately100ps~100ns.Irrespectiveofthechemical,opticalorthermo-physicalpropertiesofalargevarietyofmaterialsincludingdiamond,ceramics,plasticsandsteel,theevolutionofthedrillingprocessshowsaquitegeneralbehavior.2019/12/20（3）脈沖波形

應(yīng)盡量選擇前后沿陡，激光光強(qiáng)逐步增大的波形打孔，一般要求激光的前沿控制在8～10us，即可獲得較好的入口，后沿短于8us可以獲得高的內(nèi)壁質(zhì)量。尤其對(duì)于小于50us的小孔，更增加后沿的陡度，防止孔被液相物質(zhì)堵塞。2019/12/20（4）激光模式激光發(fā)散角主要影響進(jìn)出口孔徑差和錐度。通常，發(fā)散角增大，孔的錐度增大，激光束聚焦光斑直徑也增大。聚焦半徑近似公式聚焦深度近似公式模式越低，發(fā)散角越小，基模發(fā)散角最小，采用基模進(jìn)行打孔錐度要小。2019/12/20（5）聚焦條件焦點(diǎn)在工件表面，錐度大；焦點(diǎn)在工件中間，打孔質(zhì)量有好有壞；一定的正離焦，打孔效果好。2019/12/20不銹鋼材料，3mm的試驗(yàn)2019/12/20（6）材料特性在激光功率密度F較低時(shí)，鋁的熱擴(kuò)散損耗比鐵高，鋁的孔深比鐵淺。隨著F的增大，材料會(huì)很快達(dá)到沸點(diǎn)，加熱速度快，這時(shí)熱傳導(dǎo)損耗可以忽略，因?yàn)殇X有的汽化潛熱，則鋁的汽化去除量比鐵大，故鋁的孔深比鐵要深。采用激光打孔宜采用高功率密度的激光脈沖打孔。2019/12/20（7）多脈沖打孔單一脈沖打孔的孔深有限，僅為孔徑的3～4倍，且精度和重復(fù)性難以控制，一般采用多脈沖打孔，多脈沖打孔可以控制孔形畸變，熱影響區(qū)擴(kuò)大，表面開裂等不穩(wěn)定因素。2019/12/20（8）激光打孔輔助工藝改善孔的形狀（a）涂覆表面張力低的液相薄膜，減少沉積物，減少孔的錐度。（b）覆蓋屏蔽層，使激光打孔的錐度在屏蔽層上。（c）吹入壓縮空氣，提高表面質(zhì)量（d）工件下面安裝反射鏡（e）多脈沖打孔，周期性把激光束聚焦到孔底某個(gè)位置（f）激光打孔后，輔助修正。2019/12/202019/12/202019/12/204、激光打孔特點(diǎn)與應(yīng)用

質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)技術(shù)特質(zhì)實(shí)際應(yīng)用

1．激光可以打細(xì)小深孔激光聚焦直徑可至0.3毫米特殊噴嘴和冷卻通道

2．在斜面上打斜孔、異型孔激光空中傳輸渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片打孔

3．對(duì)極硬的陶瓷零件打孔激光打陶瓷孔無(wú)技術(shù)難度鋼鐵業(yè)耐高溫火焰噴嘴

4．打孔準(zhǔn)確度高，性能可靠激光打孔無(wú)工具磨損燃?xì)鈾C(jī)噴嘴打孔

5．激光打高密度細(xì)小群孔激光可用高速飛行法打孔精密化工，制藥用篩板2019/12/202019/12/20激光打孔應(yīng)用實(shí)例（1）陶瓷·Φ0.5mm孔發(fā)動(dòng)機(jī)葉片·Φ0.5mm小孔2019/12/20激光打孔應(yīng)用實(shí)例（2）過濾板·82萬(wàn)個(gè)Φ0.7mm孔(3mm厚不銹鋼板)過濾板·激光焊接·打孔·切割2019/12/20飛機(jī)部件的激光打孔2019/12/20Materialsuchassteel,nickelalloys,aluminum,copper,brass,borosilicateglass,quartz,ceramic,plasticandrubberareallbeingsuccessfullylaserdrilled.2019/12/20RepresentativeApplicationDualpulselaserdrillingWater-jetlaserdrillingTrepanninglaserpulsedrilling2019/12/20ProcessofdualpulselaserdrillingPhaseIPhaseIIPhaseI:Twinpulseinterval30~150nsisirradiatingonthetargetsurface.PhaseII:Thefirstpulsecontactonthetarget,plasma,moltenandvaporizedmetalappearedimmediately.2019/12/20Dualpulselaserdrilling

GENERALATOMICSCo----SierraseriessolidstatelaserdrillingsystemOutstandingadvantage:highefficiency;highspeed;highquality2019/12/20PhaseIIIPhaseIVPhaseIII:After30ns~150ns,theplasmadisappearedandmoltenmetalisexistingonthesurfaceofthematerial.PhaseIV:Thesecondpulsearrived.Pulseenergyisabsorbedbymoltenmetalwhichbecameanewenergytodrillingthehole.2019/12/20Water-jetlaserdrilling2019/12/20PrincipleofWater-jetlaserdrilling2019/12/20Trepanninglaserpulsedrilling2019/12/20激光強(qiáng)度：激光電場(chǎng)：2019/12/20以波長(zhǎng)為10.6m的釹玻璃激光為例假設(shè)激光強(qiáng)度：如此大的電場(chǎng)足以從原子直接激發(fā)電子實(shí)際上，由于靶物質(zhì)中的雜質(zhì)、晶格缺陷使得P遠(yuǎn)小于上述值時(shí)，產(chǎn)生自由電子，通過串級(jí)電離形成等離子體－－幾百至幾千電子伏2019/12/20激光電場(chǎng)2019/12/20逆韌致吸收逆韌致吸收InverseBremsstrahlung碰撞吸收CollisionalAbsorption韌致吸收：一個(gè)帶電粒子與另外一個(gè)粒子碰撞發(fā)射光被稱作韌致輻射逆韌致輻射：電子與離子或者電子相互碰撞時(shí)吸收光子。2019/12/203.6、激光切割技術(shù)1、激光切割的原理及分類2、激光切割的影響因素3、激光切割系統(tǒng)4、激光切割的特點(diǎn)5、激光切割的典型應(yīng)用2019/12/201、激光切割的原理激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超過激光域值的激光功率密度的前提下，激光束的能量以及活性氣體輔助切割過程所附加的化學(xué)反應(yīng)熱能全部被材料吸收，由此引起激光作用點(diǎn)的溫度急劇上升。達(dá)到沸點(diǎn)后材料開始汽化，并形成孔洞，隨著光束與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最終使材料形成切縫，切縫處的熔渣被一定的輔助氣體吹除。

激光切割可分為汽化切割，熔化切割和氧助燃切割。以氧助燃切割為應(yīng)用最廣。從切割不同材料可分為金屬激光切割和非金屬激光切割。CuttingdirectionAssistantgasnozzleSpacebetweennozzle&workpieceMeltmaterialCuttingslotGasflow2019/12/20(1)汽化切割汽化切割是激光束加熱工件至沸點(diǎn)以上的溫度，部分材料以蒸汽形式逸出，部分材料作為噴射物從切割底部吹走，其所需的激光切割能量是熔化切割的10倍。其機(jī)制如下：①激光加熱材料，部分反射，部分吸收，材料反射率隨溫度升高而下降。②激光作用區(qū)溫升快，足以避免熱傳導(dǎo)造成熔化。③蒸汽從工件表面以近似聲速飛快逸出。

汽化切割只應(yīng)用于那些不能熔化的木材，塑料和碳素等材料。

飛秒激光切割屬于氣化切割.2019/12/20(2)熔化切割熔化切割是當(dāng)激光束功率密度超過一定值時(shí)，工件內(nèi)部蒸發(fā)形成孔洞，然后與光軸式吹以輔助惰性氣體，把孔洞周圍的熔融材料驅(qū)除帶走。

熔化切割的機(jī)制為：①激光束照射工件，除反射外其余能量加熱材料并蒸發(fā)成小孔。②一旦小孔形成，它以黑體全部吸收光能，小孔被熔化金屬壁所包圍，依靠蒸汽流高速流動(dòng)使熔壁保持相對(duì)穩(wěn)定。③熔化等溫線貫穿工件，依靠輔助吹氣將熔化材料吹走。④隨工件的移動(dòng)，小孔橫移一條切縫。2019/12/20(3)氧助熔化切割氧助熔化切割的機(jī)理是：①在激光照射下，材料達(dá)到Tm溫度，隨之與氧接觸，發(fā)生劇烈燃燒反應(yīng)，放出大量熱量，在激光和此熱量共同作用下材料內(nèi)部形成充滿蒸汽的小孔，小孔周圍被熔融氣體包圍；②蒸汽流動(dòng)使周圍熔融金屬壁向前移動(dòng)，并發(fā)生熱量和物質(zhì)轉(zhuǎn)移；③氧和金屬的燃燒速度受燃燒物質(zhì)轉(zhuǎn)換成熔渣的限制，氧氣擴(kuò)散通過熔渣達(dá)到點(diǎn)火前沿的速度，氧氣流速越高，燃燒的化學(xué)反應(yīng)越快；④在未達(dá)到燃燒溫度的區(qū)域，氧氣流作為冷卻，縮小切割熱影響區(qū)。⑤氧助切割存在激光輻射和化學(xué)反應(yīng)熱兩個(gè)熱源。2019/12/202、激光切割的影響因素（1）材料特性（2）激光模式（3）切割速度（4）焦點(diǎn)位置（5）輔助氣體壓力除了以上4個(gè)最重要的變量以外，可能對(duì)切割質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素還包括光束參數(shù)（模式和功率、激光束的偏振、激光束的聚焦、脈沖波光束）和工件特性（材料表面反射率、材料表面狀態(tài)），以及割炬和噴嘴、外光路系統(tǒng)、工件固定等其他因素。2019/12/20(1)材料特性2019/12/20（2）激光橫向模式GaussianmodeLow-ordermodeMultimodeSurfaceheattreatmentCuttingorwelding2019/12/20激光輸出方式---PRC2019/12/20(3)激光功率與切割速度對(duì)于一定板厚，通常激光切割速度隨激光功率呈線形增加。2019/12/20切縫寬度和熱影響區(qū)均隨激光切速的增加而減少，并且切縫下表面的寬度和熱影響區(qū)最小。對(duì)于中碳鋼，最好的切割質(zhì)量和最小的熱影響區(qū)為P/V～70J.mm-1。2019/12/20（4）切割粗糙度對(duì)于金屬激光切割的切口粗糙度，一般是上半段最好，中段次之，下段較差。切口粗糙度與切割的切口有關(guān)。2019/12/20（5）焦點(diǎn)位置對(duì)表面粗糙度的影響工件至聚焦透鏡的距離與焦距的比值a0在0.988<a0<1.003范圍。例如，激光切割2.3mm的低碳鋼板時(shí)，采用負(fù)離焦0.3至0.7mm為佳。2019/12/20（6）聚焦鏡2019/12/20（7）噴嘴直徑與切割速度的關(guān)系氧氣流應(yīng)以超聲速的收斂型氣流最好，以免切口下段擴(kuò)大。對(duì)某種具體激光切割存在一個(gè)最佳的噴嘴直徑。在作者的實(shí)驗(yàn)條件下，噴嘴直徑以1.5mm最好。2019/12/20（8）吹氧壓力的影響在不同激光功率及不同厚度情況，吹氧壓力也存在一個(gè)最佳值。2019/12/20（9）激光偏振態(tài)對(duì)激光切割的影響由圖中可看到，采用圓偏振光，切口平直，與切割方向無(wú)關(guān)。切割系統(tǒng)一般加45度反射的圓偏振鏡。2019/12/203、激光切割特點(diǎn)質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)技術(shù)特質(zhì)實(shí)際應(yīng)用

1．切割縫邊緣熱影響區(qū)小激光切割需要的總能量少大型電機(jī)硅鋼鐵芯下料

2．激光切割的切縫窄小激光切割的能量高度集中石油管的過濾縫切割

3．切割精度高、工件變形小激光聚焦光斑的直徑小汽缸墊的切割成型

4．切割的重復(fù)性好，誤差小數(shù)控精密切割切割復(fù)雜形狀的零件

5．激光切割面清潔,不掛渣切割的物理冶金過程完善裝潢用切割成型金剛石鋸片切割2019/12/202019/12/202019/12/20（2）PRCSTS軸快流CO2laserfromU.S.

TEM00Mode

(高斯模式)

1000-3000Watts"D"Mode

(DimodalBeam)

1000-4000Watts"Q"Mode

(QuadramodalBeam)

2500-6000WattsSTS1000STS1500STS1800STS2000STS2200STS2500STS3000STS35