毕业设计正文-激光切割技术

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1、天 津 轻 工 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计第 1 页 共 16 页激 光 切 割 技 术摘 要激 光 是 20 世 纪 60 年 代 初 出 现 的 一 种 光 源 。 “ 激 光 ” （ Laser,即 Light Amplification bystimulated Emission of Radiation 的 缩 写 ） ， 意 思 是 利 用 辐 射 受 激 得 到 的 加 强 光 。激 光 加 工 （ Laser Beam Machining） 就 是 把 激 光 的 方 向 性 好 和 输 出 功 率 高 的 特 性 应 用到 材 料 的 加 工 领 域 中 去 。

2、短 脉 冲 激 光 束 断 面 功 率 输 出 大 约 为 10kw/cm 。 用 聚 焦 的 方 法 ， 可以 把 激 光 束 会 聚 到 （ 1/100） mm 大 小 的 部 位 上 ， 其 功 率 密 度 可 达 10kw/cm 。 这 就 能 提 供足 够 的 热 能 来 融 化 和 气 化 任 何 一 种 已 知 的 高 强 度 工 程 材 料 ， 具 有 可 以 进 行 非 接 触 加 工 ， 适 合各 种 材 料 的 微 细 加 工 。激 光 切 割 以 其 切 割 范 围 广 、 切 割 速 度 高 、 切 缝 窄 、 切 割 质 量 好 ， 热 影 响 区 小 ， 加 工

3、柔性 大 等 优 点 在 现 代 工 业 中 得 到 其 广 泛 的 应 用 ， 激 光 切 割 技 术 成 为 激 光 加 工 技 术 中 最 为 成 熟 的技 术 之 一 。关 键 词 ： 激 光 切 割 现 代 加 工 技 术天 津 轻 工 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计第 2 页 共 16 页第 1 章 绪 论1.1 激 光 切 割 技 术 概 述激 光 束 聚 焦 成 很 小 的 光 点 其 最 小 直 径 可 小 于 0.1mm,使 焦 点 处 达 到 很 高 的 功 率 密 度 可 超过 106W/cm 。 这 时 光 速 输 入 （ 由 光 能 转 换 ） 的 热 量

4、远 远 超 过 被 材 料 反 射 、 传 导 或 扩 散 部 分 ，材 料 很 快 加 热 至 气 化 温 度 ， 蒸 发 形 成 孔 洞 。 随 着 光 速 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 气 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

5、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 。1.1.1激 光 切 割 技 术 国 内 外 现 状从 工 业 领 域 来 看 ， 金 属 和 非 金 属 的 激 光 切 割 是 激 光 加 工 最 主 要 的 应 用 领 域 ， 最 具 代 表 性的 是 应 用 与 汽 车 行 业 中 ， 车 身 覆 盖 件 三 维 轮 廓 的 激

6、光 切 割 有 大 量 的 应 用 ， 据 统 计 60%的 汽 车零 件 通 过 激 光 加 工 来 提 高 零 件 质 量 。 美 国 、 欧 洲 、 日 本 等 工 业 领 域 中 有 超 过 40%的 激 光 器 是做 切 割 用 途 。自 上 世 纪 七 十 年 代 初 ， 激 光 切 割 技 术 投 入 生 产 应 用 以 来 ， 发 展 速 度 非 常 快 ， 技 术 日 趋 完善 。 目 前 工 业 发 达 国 家 对 这 一 技 术 的 运 用 较 为 广 泛 。 促 使 激 光 切 割 技 术 得 到 更 多 使 用 的 主 要原 因 是 :激 光 切 割 具 有 热 变

7、形 小 、 切 割 精 度 高 、 易 于 实 现 无 人 自 动 控 制 。 通 过 使 用 改 进 型 的大 功 率 激 光 源 ， 使 其 切 割 速 度 接 近 了 等 离 子 切 割 的 水 平 ， 从 切 割 表 面 质 量 来 看 ， 激 光 切 割 优于 等 离 子 切 割 。 目 前 ， 国 外 已 研 制 出 适 用 与 坡 口 切 割 的 激 光 处 理 器 和 相 关 控 制 软 件 。 解 决 了激 光 坡 口 切 割 所 需 大 量 数 据 处 理 的 问 题 ， 使 得 在 切 割 过 程 中 的 角 度 、 光 距 以 及 运 行 速 度 得 到天 津 轻 工

8、职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计第 3 页 共 16 页了 有 效 地 控 制 。 这 样 使 激 光 切 割 更 具 实 用 性 。 其 中 德 国 ESAB和 TRUMPF公 司 已 向 市 场 推 出 多功 能 三 维 激 光 切 割 机 。1.1.2激 光 切 割 的 适 用 范 围 及 优 点(1)适 合 大 工 件 产 品 的 加 工 ： 大 件 产 品 的 模 具 制 造 费 用 高 ， 激 光 加 工 不 需 任 何 模 具 制 造 ，而 且 激 光 加 工 完 全 避 免 材 料 冲 剪 时 形 成 的 塌 边 ， 可 以 大 幅 降 低 企 业 的 生 产 成 本 提

9、 高 产 品 的 档次 。 （ 2） 非 常 适 合 新 产 品 的 开 发 ， 缩 短 研 发 周 期 ： 一 旦 产 品 图 形 形 成 后 ， 马 上 可 以 进 行 激 光加 工 ， 可 以 在 最 短 的 时 间 内 得 到 新 产 品 的 实 物 。（ 3） 节 省 材 料 ： 激 光 加 工 采 用 计 算 机 程 序 设 计 ， 可 以 把 不 同 形 状 的 产 品 进 行 材 料 的 套 裁 ，最 大 限 度 的 提 高 材 料 的 利 用 率 。 由 于 激 光 切 割 具 有 以 上 优 势 ， 使 其 具 有 较 广 泛 的 应 用 ， 适 用行 业 有 ： 电 器

10、制 造 、 机 械 制 造 、 家 用 电 器 、 汽 车 制 造 、 电 梯 制 造 等 行 业 。 目 前 开 展 激 光 加 工的 方 面 主 要 是 电 梯 、 自 动 扶 梯 、 纺 织 机 械 、 食 品 机 械 、 轻 工 机 械 、 冷 冻 机 械 、 印 刷 机 械 、 复印 机 械 、 交 通 机 械 、 港 口 机 械 、 运 输 机 械 、 船 舶 机 械 、 农 用 机 械 、 筑 路 机 械 、 搬 运 机 械 、 环保 机 械 及 矿 山 、 冶 金 机 械 等 等 的 钣 金 加 工 。 其 次 是 转 子 、 定 子 、 叶 片 的 切 割 类 型 。 量 具

11、 、 刃具 业 中 各 类 锯 条 、 锯 片 等 切 割 类 型 。 汽 车 制 造 业 包 括 零 件 、 总 转 合 成 和 流 水 线 中 部 件 的 制 造 。广 告 、 装 潢 及 工 艺 品 制 造 业 。1.1.3激 光 切 割 的 特 点(1)切 割 品 质 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 。 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。 切 割 表 面

12、 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 。（ 2） 切 割 速 度 快 。 例 如 采 用 2KW 激 光 功 率 ， 8mm厚 的 碳 钢 切 割 速 度 为 1.6m/min； 2mm 厚的 不 锈 钢 切 割 速 度 为 3.5m/min， 热 影 响 区 小 ， 变 形 极 小 。（ 3） 清 洁 、 安 全 、 无 污 染 。 大 大 改 善 了 操 作 人 员 的 工 作 环 境 。 当 然 就 精 度 和 切 口 表 面 粗糙

13、 度 而 言 ， CO2激 光 切 割 不 可 能 超 过 电 加 工 ； 就 切 割 厚 度 而 言 以 达 到 火 焰 和 等 离 子 切 割 的 水 平 。天 津 轻 工 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计第 4 页 共 16 页（ 4） 加 工 灵 活 性 好 ， 既 能 够 切 割 平 面 共 建 ， 又 能 切 割 立 体 工 件 。 可 以 从 任 意 一 点 开 始 ，切 口 可 向 任 何 方 向 进 行 。（ 5） 使 用 范 围 广 ， 能 切 割 易 碎 的 脆 性 材 料 ； 切 割 淬 火 钢 时 ， 可 使 其 硬 度 不 变 。（ 6） 激 光 切 割 的

14、深 度 比 高 ， 对 于 非 金 属 可 以 达 到 100:11以 上 ， 对 于 金 属 也 可 以 达 到 20:1左 右 ， 还 可 以 切 割 不 穿 透 的 盲 槽（ 7） 切 口 平 行 度 好 ， 表 面 粗 糙 造 度 小 ， 切 口 有 棱 角 ， 对 做 冲 模 有 利 。（ 8） 无 工 件 磨 损 ， 易 于 数 控 操 作 或 计 算 机 控 制 ， 并 可 多 任 务 位 操 作 。（ 9） 由 于 激 光 加 工 是 将 高 平 行 度 、 高 能 量 密 度 的 激 光 聚 焦 到 工 件 表 面 上 来 进 行 热 加 工 ，所 以 激 光 光 点 的 直

15、 径 在 理 论 上 可 达 1m以 下 ， 能 进 行 非 常 微 细 的 加 工 。（ 10） 由 于 激 光 加 工 的 功 率 密 度 非 常 高 ， 可 达 107W/cm以 上 ， 并 能 做 得 更 高 ， 故 对 那 些用 于 以 往 的 方 法 难 以 加 工 的 材 料 都 能 用 激 光 切 割 加 工 。（ 11） 由 于 能 把 工 件 离 开 加 工 机 ， 以 适 当 的 距 离 进 行 非 接 触 式 加 工 ， 所 以 不 会 污 染 材 料 。另 外 ， 加 工 变 形 及 热 变 形 也 很 小 。（ 12） 能 通 过 透 明 体 进 行 加 工 。（

16、13） 与 电 子 束 加 工 机 相 比 ， 不 需 要 真 空 ， 也 不 需 要 X射 线 进 行 防 护 。 因 此 装 置 简 单 ，工 作 性 能 好 。 1.2 激 光 切 割 发 展 趋 势激 光 切 割 是 激 光 加 工 行 业 中 最 重 要 的 一 项 应 用 技 术 ,由 于 具 有 诸 多 特 点 已 广 泛 应 用 与 汽 车 、机 车 车 辆 制 造 、 航 空 、 化 工 、 轻 工 、 电 器 与 电 子 、 石 油 和 冶 金 等 工 业 部 门 。 近 年 来 ， 激 光 切割 技 术 发 展 很 快 ， 国 际 上 每 年 都 以 20%30%的 速 度 增 长 。 我 国 自 1985 年 以 来 ， 更 以 每 年 25%以 上 的 速 度 增 长 。 由 于 我 国 激 光 工 业 基 础 较 差 ， 激 光 激 光 加 工 技 术 的 应 用 上 不 普 遍 ， 激 光 加工 整 体 水 平 与 先 进 国 家 相 比 仍 有 较 大 差 距 ， 相 信 随 着 激 光 加 工 技 术 的