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1、 中国石材物联网中国石材物联网 网址： 来源：中国石材物联网 石材激光切割加工技术工艺及应用范围石材激光切割加工技术工艺及应用范围 一、激光切割的原理一、激光切割的原理 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。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。 二、激光切割加工的主要特性二、激光切割加工的主要特性 1
2、1、激光切割的切缝窄，工件变形小、激光切割的切缝窄，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超过被材料反射、传导或扩散的部分，材料很快加热至汽输入的热量远远超过被材料反射、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。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
3、用氧作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内污染镜片并导致 镜片过热。镜片过热。 大多数有机与无机材料都可以用激光切割。在工业制造系统占有份量大多数有机与无机材料都可以用激光切
4、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。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来说，由于微机程序控制的现代激光
5、切割系统能方便切割不同形状与中国石材物联网中国石材物联网 网址： 来源：中国石材物联网 尺寸的工件，它往往比冲切、模压工艺更被优先选用尺寸的工件，它往往比冲切、模压工艺更被优先选用; ;尽管它加工速度还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。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。 2 2、激光切割是一种高能量、密度可控性好的无接触加工、激光切割是一种高能量、密度可控性好的无接触加工 激光束聚焦后形成具有极
6、强能量的很小作用点，把它应用于切割有许激光束聚焦后形成具有极强能量的很小作用点，把它应用于切割有许多特点。多特点。 首先，激光光能转换成惊人的热能保持在极小的区域内，可提供狭的首先，激光光能转换成惊人的热能保持在极小的区域内，可提供狭的直边割缝直边割缝; ;最小的邻近切边的热影响区最小的邻近切边的热影响区; ;极小的局部变形。极小的局部变形。 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，这就意味着工件无机械变形着工件无机械变形; ;无刀具磨损，也谈不上刀具的转换问题无刀具磨损，也谈不上刀具的转换问题; ;切割材料无须切割材料无
7、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。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，因而与自动化设备再次，激光束可控性强，并有高的适应性和柔性，因而与自动化设备相结合很方便，容易实现切割过程自动化相结合很方便，容易实现切割过程自动化; ;由于不存在对切割工件的限制，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激光束具有无限的仿形切割能力; ;与计算机结合，可整张板排料，节省材与计算机结合，可整张板排料，节省材料。料。 3 3、激光切割具有广泛的适应性和灵活性、
8、激光切割具有广泛的适应性和灵活性 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，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极小的区域，结果导致切口宽、热影响区大和明显的工件变形。用于一个极小的区域，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。激光能切割非金属，而其它热切割方法则不能。 三、激光切割加工的分类三、激光切割加工的分类 中国石材物联网中国石材物联网 网址： 来源：中国石材物联网
9、 1 1、激光汽化切割、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。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激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料( (如纸、布
10、、木材、如纸、布、木材、塑料和橡皮等塑料和橡皮等) )的切割。的切割。 2 2、激光熔化切割、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的喷嘴喷吹非氧化性气体(Ar(Ar、HeHe、N N 等等) )，依靠气体的强大压力使液态金，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汽化切割的 1/101/10。 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
11、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。锈钢、钛、铝及其合金等。 3 3、激光氧气切割、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，发属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热生氧化反应，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应区吹出，在
12、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热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的 1/21/2，而切割速度远，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。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中国石材物联网中国石材物联网 网址： 来源：中国石材物联网 料。料。 4 4、激光划片与控制断裂、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，
13、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开。激光划片用的激光器一般为 Q Q 开关激光器和开关激光器和 CO2CO2 激光激光器。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。产生局部热应力，使材料沿小槽断开。 四、激光切割的主要工艺四、激光切割的主要工艺 1 1、汽化切割、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在高功率密度激光束的
14、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，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。部分材料作为喷出物从切缝底部被辅助气体流吹走。 2 2、熔化切割、熔化切割 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妈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妈蒸发，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，与能量。小孔被熔化金属壁所
15、包围，然后，与光束同轴的辅助气流把孔洞周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。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。吹走。 3 3、氧化熔化切割、氧化熔化切割 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，材料中国石材物联网中国石材物联网 网址： 来源：中国石材物联网 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，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
