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這是激光切割ppt,包括了概述,連續(xù)激光切割的基礎(chǔ),常用材料的激光切割特性,連續(xù)CO2激光的特色應(yīng)用,脈沖固體激光的切割應(yīng)用,連續(xù)固體激光的切割應(yīng)用等內(nèi)容,歡迎點擊下載。
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激光切割技術(shù) 1 概 述 2 連續(xù)激光切割的基礎(chǔ) 3 常用材料的激光切割特性 4 連續(xù)CO2激光的特色應(yīng)用 5 脈沖固體激光的切割應(yīng)用 6 連續(xù)固體激光的切割應(yīng)用 1 概 述 激光切割是利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑,將材料快速加熱至汽化溫度,蒸發(fā)形成小孔洞后,再使光束與材料相對移動,從而獲得窄的連續(xù)切縫。連續(xù)激光可用于各種材料的高效率切割,紅外脈沖激光主要用于金屬材料的精密切割,紫外脈沖激光主要用于薄板金屬或非金屬材料的精密切割。連續(xù)激光切割加工是激光加工應(yīng)用的重要領(lǐng)域,而CO2激光切割加工各種金屬和非金屬,則是激光切割應(yīng)用的最大市場。 2 連續(xù)激光切割的基礎(chǔ) 2.1 連續(xù)激光切割材料的特點[1] 1.切割品質(zhì)好 割縫窄(一般為0.1~0.5mm)、精度高(一般孔中心距誤差0.1~0.4mm,輪廓尺寸誤差0.1~0.5mm)、割縫粗糙度好(表面粗糙度一般為Ra12.5~25m)。 2.切割速度快、效率高 激光切割加工為無接觸加工,慣性小,因此其加工速度快。 3.熱影響區(qū)小、幾乎無變形 雖然激光照射加工部位的熱量很大、溫度很高,但照射光點很小,且光束移動速度快,所以其熱影響區(qū)很小。 清潔、安全、勞動強度低 由于激光切割自動化程度高,可以全封閉加工、無污染、噪聲小,明顯地改善了操作人員的工作環(huán)境。 5.幾乎可用于任何材料的切割 激光亮度高、方向性好,聚焦后的光點很小,能夠產(chǎn)生極高的能量密度和功率密度,足以熔化任何金屬,還可以加工非金屬,特別適合于加工高硬度、高脆性及高熔點的其他方法難以加工的材料。 6.不易受電磁干擾 激光加工不像電子束加工必須在真空中才能進行。 7.激光束易于傳送 通過外光路系統(tǒng)可以使激光束隨意改變方向,甚至可通過光纖傳輸,和數(shù)控機床、機器人連接起來,構(gòu)成各種靈活的彈性加工系統(tǒng)。 8.激光切割經(jīng)濟效益好 尤其對于其他傳統(tǒng)方法很難加工的材料,采用激光切割的優(yōu)勢更明顯。 9.節(jié)能和節(jié)省材料 由于激光切割的割縫很窄,且為數(shù)控加工,可采用軟件套排整版加工,可節(jié)省材料15%~30%。 2.2 連續(xù)激光切割材料的機制及分類 一、連續(xù)激光切割機制 當激光功率超過一定閾值后,在材料被激光穿透前,熔化的材料在激光噴嘴吹出的氣流的助推下被反向拋出,同時噴出物繼續(xù)吸收激光能量,形成電漿,這些電漿對激光的吸收率很大,屏蔽了部份激光向材料表面的直接注入,使材料對激光的吸收減小,導(dǎo)致加熱熔化時間變長,熱影響區(qū)域變大,因此激光起始穿孔的口徑較大。材料越厚,激光穿透的孔徑越大。當材料被激光穿透后,以一定速度移動光束,則融蝕前緣熔化的材料,在激光噴嘴吹出的氣流的助推下被正向吹出,形成的電漿將在孔內(nèi)(或切縫內(nèi)),此時電漿進一步吸收的激光能量,將通過熱傳導(dǎo)傳遞到材料基體,這相當于增大了材料對激光的吸收率,而使加熱熔化時間變短,熱影響區(qū)域變小,切縫變窄。 二、連續(xù)激光切割分類 1.汽化切割 當聚焦到材料表面的激光功率密度非常高時,與熱傳導(dǎo)相比,材料表面的溫度上升極快,直接達到汽化溫度,而沒有熔化產(chǎn)生。飛秒激光切割任何材料都屬于汽化切割,奈秒或連續(xù)激光切割只有在切割一些低汽化溫度的材料(如木材、碳素材料和某些塑料)時,才屬于汽化切割。 2.氧助熔化切割 當激光切割金屬材料時,若所吹輔助氣體為氧氣或含氧的混合氣體,使被激光加熱的金屬材料產(chǎn)生氧化放熱反應(yīng),這樣在激光能量外就產(chǎn)生了另一個熱源——金屬化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱能,且兩個熱能共同完成材料的熔化及切割,稱之為氧助熔化切割。 3.無氧熔化切割 當激光切割材料時,若所吹輔助氣體為惰性氣體,熔化的材料將不會與空氣中的氧氣接觸,也就不會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),故稱為無氧熔化切割。 2.3 影響連續(xù)激光切割質(zhì)量的因素[3] 一、工件特性及激光光波長對切割質(zhì)量的影響 直接工件特性及激光波長對影響材料對光束能量的吸收率,而對激光能量的吸收是實現(xiàn)激光加工的前提,吸收率的大小決定著激光加工的能量利用率。一般非金屬材料對紫外激光和10640nm的CO2激光的吸收率很大,而對近紅外輸出的固體激光的吸收率,卻因材料不同有很大變化。 二、技術(shù)參數(shù)的影響 影響激光切割質(zhì)量的主要技術(shù)參數(shù),有噴嘴結(jié)構(gòu)、氣流、輔助氣體、切割速度、焦點位置、焦點大小、景深、穿孔、程序設(shè)計等。 1.氣流與噴嘴 對氣流的基本要求,是進入切口的氣流量要大,速度要高,以便有足夠的動量將熔融材料噴射吹出,對于金屬切割還要有足夠的氧化氣流,使切口材料充分進行放熱反應(yīng)。 2.透鏡焦距、焦點位置與切割質(zhì)量 (1)透鏡焦距與切割品質(zhì):激光切割的優(yōu)點之一,是光束能匯聚成很小的光點,獲得極高的能量密度,從而切出一窄的割縫,為此需要焦點光斑直徑盡可能的小。一般大功率CO2激光切割機中,廣泛采用127~190mm的焦距,此時焦點光斑直徑在0.1~0.4mm之間,焦深在5~8mm之間,需要控制焦點相對于被切割材料表面的位置不超過焦深值。 (2)焦點位置與切割品質(zhì)[4,5]:焦點位置的控制好壞對于切口品質(zhì)影響極大。對于6mm以內(nèi)金屬薄板的切割,焦點在材料表面上下一定范圍內(nèi)都可整潔(不粘熔渣)地切割。加工金屬的激光切割機主要采用電容非接觸式間隙傳感器,跟蹤精度在0.01~0.1mm,標稱間隙在0.5~3mm,測量電極結(jié)構(gòu)一般采用與噴嘴一體式結(jié)構(gòu)或環(huán)式結(jié)構(gòu)。 (3)焦點判斷 a.打印法:使切割頭從上往下運動,在塑料板上進行激光束打印,打印直徑最小處為焦點。 b.斜板法:水平等速推動斜放的塑料板,激光束的最。ㄇ泻圩钚。┨帪榻裹c。 c.藍色火花法:去掉噴嘴,斜向吹高壓空氣,將脈沖激光打在不銹鋼板上,使切割頭從上往下運動,直至藍色火花最大處為焦點。 (4)焦點光斑的穩(wěn)定方法:對于基模(TEM00模)激光,可視為理想的高斯光束,聚焦焦點的光斑尺寸d0是與激光束的光斑尺寸D成反比的,即 (1) 對于大型飛行光路激光切割機,由于切割近端和切割遠程光程長短會相差2m以上,聚焦前的光束尺寸就有較大差別,導(dǎo)致各處聚焦焦點的光斑尺寸有變化。入射光束的直徑越大,焦點光斑的直徑越小。 3.切割穿孔技術(shù) 激光穿孔一般有兩種方法: (1)脈沖穿孔:一種先進的穿孔方法,可以獲得較小穿孔直徑。該方法適用于可以輸出高峰值功率脈沖激光的連續(xù)激光器。由于每個激光脈沖只產(chǎn)生少量微粒噴射,因此厚板穿孔時間需要幾秒鐘。板材一旦穿透,立即加大氣流量,或?qū)⑤o助氣體換成氧氣(對于金屬切割),按一定軌跡移動光束進行切割。 (2)爆破穿孔:當連續(xù)激光器沒有高峰值功率脈沖激光輸出時,采用爆破穿孔法?刂萍す忸^移動到起始位置后停止運動,啟動連續(xù)激光照射材料,使該點中心熔化形成一凹坑,然后由與激光束同軸的氣流很快將熔融材料去除(反向噴出),經(jīng)過一定時間形成一孔洞。一般孔的大小與板厚有關(guān),爆破穿孔平均直徑為板厚的一半。 切割速度 激光切割速度過低,則材料過燒,使切縫變寬,并使熱影響區(qū)域顯著增大。當激光切割速度過高時,則會使切口清渣不凈,切口變得粗糙。可見若能保證恒定的最佳速度切割,效果最好。 5.程序設(shè)計 加工程序的優(yōu)劣,建立在大量的技術(shù)實驗的基礎(chǔ)上,有豐富的經(jīng)驗才能編寫出好的加工程序。而使用一個好的編程軟件可以降低這方面的要求,因為好的CAD/CAM軟件就是大量經(jīng)驗的總結(jié)。也是提高效率、節(jié)省時間、節(jié)省材料的有效方法。 三、激光參數(shù)的影響 1.激光功率對切割速度與切割質(zhì)量的影響[4] 激光功率增加,在其他條件不變時,割縫寬度增加,實際上,激光功率增加,切割速度變大時切割質(zhì)量仍然很好,切割速度范圍也隨之擴大。 2.激光模式及光束質(zhì)量對切割質(zhì)量的影響 激光切割應(yīng)選用單;驕蕟文<す,多模激光只能用于熱處理或焊接應(yīng)用。由于單模激光不但可以聚焦到很小的焦點,使切縫很窄,而且單模激光能量分布為中心對稱,所以切割不同方向的割縫質(zhì)量相同。而多模激光的能量分布是不對稱的,所以不同方向的割縫寬度可能不均一,質(zhì)量也可能不同。激光束質(zhì)量的好壞可以采用光束遠場發(fā)散角、光束聚焦特征參數(shù)Kf和衍射極限因子M2(M)或光束傳輸因子K來表示。 3 常用材料的激光切割特性 3.1 金屬板材的激光切割 一、普通碳鋼的激光切割 低碳鋼最適合采用氧助熔化激光切割。低碳鋼含有99%以上的鐵,鐵的氧化反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量,因此通過吹氧輔助,可以減小對激光能量的要求。另外氧氣可自由穿過氧化反應(yīng)造成的氧化鐵層,進入熔化材料,使氧化反應(yīng)可連續(xù)快速地沿切口移動。 高碳鋼的激光切割質(zhì)量也較好。與低碳鋼比,只是熱影響區(qū)稍微大一些。含雜質(zhì)低的冷軋鋼板的激光切割質(zhì)量優(yōu)于熱軋鋼板。鍍鋅鋼板和涂塑薄鋼板的激光切割效果很好 二、不銹鋼的激光切割[2] 不銹鋼一般采用高壓氮氣輔助切割,需要激光功率較高,切口白亮,不氧化、不變色。如用氧氣助熔切割,在同樣功率下切割速度可加快,但切口氧化變黑。不銹鋼中含有10%~20%的鉻,由于鉻的存在,傾向于破壞鐵的氧化過程,使熔化層氧化不完全,反應(yīng)熱減少,切割速度較低。另一方面,由于熔化物沒有完全氧化,與工件之間有較大的黏附力,不易完全從切口吹除,較易在切口的下緣留有熔化殘渣。 三、鎳合金的激光切割 對鎳合金的激光切割與不銹鋼的切割相似,但由于熔融態(tài)的鎳的黏度較高,更容易引發(fā)熔渣黏附在割縫背面,所以對鎳合金的激光切割一般在較高的氧氣壓力下完成。隨合金成分的不同,切割速度大約為切割同等厚度不銹鋼的0.5~1.0倍。 四、鈦及合金的激光切割 由于鈦的氧化反應(yīng)放熱量很大,吹氧切割鈦的氧化反應(yīng)劇烈、切割速度較快,且很容易引起切口過燒,一般采用空氣為輔助氣體,更容易控制切割質(zhì)量。而航空業(yè)常用的鈦合金(Ti-6Al-4V)激光切割的質(zhì)量較好,一般采用空氣為輔助氣體,在割縫的底部會產(chǎn)生少許粘渣,但很容易清除,而切口會由于吸收了氧,產(chǎn)生一硬脆氧化層。吹惰性氣體可減少氧化污染問題,但切口附近存在的熱影響區(qū) 五、鋁及其合金的激光切割 由于鋁及其合金的熱導(dǎo)率大,對紅外激光又有高反射率,連續(xù)激光很難完成穿孔。如打磨其表面使之變粗糙、涂吸光材料或陽極鈍化鋁表面,也可從邊緣起切或從預(yù)先鉆孔處起切。但切割鋁及其合金的最有效辦法,是采用高重復(fù)頻率高峰值功率的脈沖激光,高的脈沖峰值功率能有效突破鋁合金表面的吸收壁壘,獲得良好的切縫。 六、銅材料的激光切割 銅和鋁相似,對紅外激光具有高反射率并具有高熱導(dǎo)率,連續(xù)激光很難完成穿孔,屬難切材料。采用高重復(fù)頻率高峰值功率的脈沖激光,輔助吹氧,可以較好地切割銅合金。 3.2 非金屬材料的激光切割 對CO2激光,非金屬材料幾乎完全吸收10640nm的激光能量。一般切割所采用的輔助氣體是空氣。 非金屬的切割可以是切割區(qū)的汽化、熔化或化學(xué)裂解。在某些情況下,材料切除過程是以上幾種機制中的兩個或三個的組合。 一、有機材料激光切割 純的有機材料對YAG激光的透過率較大,所以不適合用YAG激光切割,而其對CO2激光幾乎完全吸收,所以有機材料特別適用于CO2激光切割。它屬于汽化切割,切口品質(zhì)特別好。 紫外激光可以對一些有機聚合物進行冷切割,是一種化學(xué)分割過程,而不是一般的熱切割過程,因此切口尖銳,沒有任何熔化痕跡,品質(zhì)極高。 二、紙張、木材等激光切割 紙張、木材等很容易采用激光進行切割。木材不熔化,屬于汽化切割,同時在切割區(qū)發(fā)生化學(xué)裂解,裂解產(chǎn)物由氣流吹除,切口斷面覆蓋有殘余碳顆粒。由于切口材料無熔化流動,切口通常均很平滑。吹空氣一般切縫會有黑色煳邊,吹工業(yè)氮氣切縫不會產(chǎn)生黑色煳邊。對于較薄的材料,常用100W以下的中小功率CO2激光切割。對于較厚的材料,如多層膠木板的紙盒模板切割,常用500~1500W的CO2激光切割,通過參數(shù)控制,可切割出寬度均勻的矩形割縫。 三、玻璃和石英的激光切割 玻璃材料對CO2激光的吸收率很高,能有效地吸收激光束的能量而被熱能熔化,可以加工,但會伴隨著切口下沉,周圍產(chǎn)生的熱應(yīng)力,也會使邊緣出現(xiàn)裂縫(玻璃的韌性太差),因而不能進行相當精確的切割加工。 石英材料比玻璃耐熱沖擊,熔點很高,因此可以用激光切割。CO2激光切割薄的石英板材或管材效率很高,如用450W CO2激光切割石英燈泡管,每小時可切4000個[4]。 四、陶瓷材料的激光切割 陶瓷材料比玻璃耐熱沖擊,熔點很高,因此可以用激光切割,但采用通常的穿透切割,速度比較低。由于割縫附近的熱梯度較大,有可能產(chǎn)生裂縫,預(yù)加熱陶瓷材料和使用脈沖激光,是減少切割區(qū)熱沖擊的有效方法。 采用脈沖激光,在陶瓷上緣直線打一系列互相銜接的盲孔,由于應(yīng)力集中,材料很容易準確地沿此線折斷,且切割速度很高。劃痕切割只適用于直線切割。 紫外脈沖激光切割陶瓷薄片時,切割邊緣陡直、光滑,無細小裂紋,熱影響區(qū)域極小,切割邊緣位置準確度高,精度好。 值得注意的是,酚甲醛樹脂為基礎(chǔ)的材料不宜用激光切割。夾布膠木、玻璃膠布板、合成材料等以酚甲醛樹脂為基礎(chǔ)的材料很難用激光切割。因這些材料在激光輻照作用下,產(chǎn)生熔融的黏性物質(zhì),這種黏性物質(zhì)很難被氣流從切口區(qū)域吹走,而在切割這些材料時需要更大的能量消耗,另外這種熔融的黏性物質(zhì),對紅外光有更高的反射率,所以反射光很容易毀壞激光加工鏡頭。 4 連續(xù)CO2激光的特色應(yīng)用 (1)金屬板金件激光切割,特別是切割一些輪廓形狀復(fù)雜、批量不大,從技術(shù)、經(jīng)濟成本和時間角度來衡量,制造模具不劃算的鈑金件。 (2)裝飾、廣告、服務(wù)行業(yè)用的不銹鋼(一般厚度小于3mm)或非金屬材料(一般厚度小于20mm)的圖案、標記、字體等,如藝術(shù)照相冊的圖案,公司、單位、賓館、商場的標記,車站、碼頭、公共場所的中英文字體。 (3)對切割品質(zhì)要求較高的特殊零件,如要求切縫均勻的模切版和石油割縫篩管,要求切縫精度高的SMT模板。 (4)汽車板金的三維切割。經(jīng)過模具沖壓成型的汽車板金為立體形狀,一般再加工較困難,采用五軸的CO2激光切割機可以很容易的切出各種形狀的孔洞。 1 板金件激光切割 一、一般金屬板的激光切割 二、整卷帶鋼的連續(xù)激光切割 用激光切割機加工整卷帶鋼,只需要在設(shè)計激光加工機床時,增加整卷帶鋼的自動進料系統(tǒng)。 1.提高設(shè)備的加工效率 由于減少了板金件加工中的上下料的停機時間,可實現(xiàn)無人化操作,因此加工效率高。 2.節(jié)約材料 由于帶鋼可以連續(xù)進料,可以避免大量的廢料產(chǎn)生。 3.節(jié)省開支 帶鋼價格約比板材便宜15%,可直接節(jié)省開支。 2 非金屬板材的激光切割 一、各種紙材料的激光切割 1.印刷紙張激光切割 在傳統(tǒng)的沖裁切割過程中,裁刀在局部施加壓力、刺穿紙張的過程中,無可避免地會使切割邊緣的紙纖維松散、脫落。脫落的纖維落進打印機里,會在印刷平面上留下空白印記,松散的纖維還導(dǎo)致紙張的邊緣出現(xiàn)輕微的隆起,紙張邊緣的高低不平,使得高速處理過程變得非常困難甚至不可能。激光切割實際上是使材料汽化的過程,不會留下松散的纖維,切割邊緣非常干凈、整齊。激光切割紙張的缺點是一次切割紙張迭層的總厚度不能太大,否則上下割縫寬度會不同。另外,激光切割必須壓實紙張,否則中間空隙的存在,可能會使熱氣流橫向運動引起明火。 2.藝術(shù)剪紙的激光切割 藝術(shù)剪紙是中國的傳統(tǒng)文化,隨著新材料的出現(xiàn),一些鮮亮厚實的材料用到剪紙上,傳統(tǒng)的手工加工變得困難,而數(shù)控激光切割技術(shù)非常適合特殊材料新穎剪紙的制作,因為是計算機制圖,方便靈活,圖案豐富,加工迅速,并可個性化定制加工。 3.特殊紙材料的激光切割 特殊紙制品的加工中,如多層紙板、砂紙等,激光加工技術(shù)的優(yōu)點更是明顯。這些紙張較硬,用機械法切割會很快磨損砂輪,但加工材料的厚、硬、粗糙等特性,對于激光加工沒有絲毫的影響,且精度很高,不會產(chǎn)生“飛邊”現(xiàn)象。 不干膠標簽切割加工 傳統(tǒng)的機械切割法,標簽紙的背膠很有可能黏在砂輪上,影響加工效果,并需要定期停機清洗砂輪。而激光切割不干膠卷標,卻沒有絲毫的影響。另外激光切割還有如下優(yōu)點: (1)激光可以切割任意的曲線,并可隨時改變切割圖樣,這些基本不增加工時和成本,而在傳統(tǒng)機械加工中,變換圖樣需要制作不同圖樣的模板,耗時費力。 (2)可以通過精確控制激光功率,達到只切透表層紙張,絲毫不影響到下層黏性材料的效果,加工靈活性高。 二、壓克力及各種裝飾板材的激光切割 1.建筑業(yè)的壓克力模型制作 制作建筑業(yè)的壓克力模型,目前已普遍采用激光切割模型的所有壓克力零件,然后手工粘合模型?捎20~100W的封離CO2激光器。 2.裝潢用文字、圖案及儀器面板的CO2激光切割 家具裝飾及室內(nèi)裝潢用的薄樹皮采用激光切割效果很好,不會產(chǎn)生沿著紋理的劈裂問題,可進行任意形狀和復(fù)雜圖案的切割。 激光切割的透明有機板不但精度高,而且切口光亮,適合制作儀器面板、襯板,或直接黏置有機玻璃器皿。 三、激光切割在成衣業(yè)的應(yīng)用 1.服裝打板的激光切割 傳統(tǒng)的服裝生產(chǎn)技術(shù)是:服裝設(shè)計,大型繪圖及繪制打板,手工裁剪打板,依照打板切割服裝面料,縫制。采用激光切割打板可以使和兩道程序合成一道程序。而激光直接裁剪服裝面料,將使、、三道程序合成一道程序。所以,采用激光切割服裝打板,不但可以提高生產(chǎn)效率,還可以提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和一致性。 2.皮衣、皮件和商標的激光直接切割 手工量身裁衣,不但效率太低,而且成本和技術(shù)要求高,而激光裁剪可真正做到高效率的量身裁衣,并且切割精度高,對工人的技術(shù)要求相對較低。所以激光裁剪特別適合皮衣、皮件、風(fēng)衣、雨衣和商標等特殊面料的裁剪。 3 特殊高質(zhì)量零件的激光切割 一、石油割縫管的激光切割[8,9] 繞絲篩管在強壓下通過大的斜度井或水平井的彎段時,將會與井壁或套管發(fā)生擠壓或摩擦,不可避免地產(chǎn)生亂絲現(xiàn)象,引起防、護砂效果的降低或防砂失敗。針對繞絲篩管的這一弊端,管、縫一體的割縫篩管便顯示出優(yōu)越性。割縫篩管的加工方法有多種:鑲嵌金屬塊法、陶瓷刀片加工法、電化學(xué)與機械復(fù)合加工法、激光切割法等。 激光割縫篩管是在石油套管或油管上,用激光切割出多條依一定規(guī)格排列的縫隙,如縱向直排式或交錯式縫隙,螺旋直排式或交錯式縫隙。割縫寬度一般在0.2~3.0mm,割縫截面為矩形、梯形或其他特殊形狀,縫隙的布置可根據(jù)特定需要進行加工。 1.激光割縫篩管的特點 (1)防砂性能好、無堵塞(梯形割縫),可提高采油品質(zhì)。 (2)極大提高了割縫抗流砂的磨蝕作用。 (3)增大了過流面積,提高了產(chǎn)油量。 (4)篩管壽命長,減少修井,降低采油成本。 (5)割縫篩管激光加工效率高,品質(zhì)優(yōu)良,成本低。 2.加工技術(shù) (1)穿孔及切割過程:根據(jù)激光切割起始點對穿孔的要求,穿孔直徑不大于縫寬(約0.2mm)。對較厚的管壁(約10mm),如用連續(xù)激光很難打出符合要求的孔,因此要求激光器必須帶脈沖功能。先用低占空比超脈沖穿孔,然后逐步提高占空比和速度,最后達到連續(xù)額定輸出功率和最佳切割速度。 (2)割縫寬度的部份影響因素:割縫品質(zhì)與切割速度有非常大的影響。激光功率的增加,在其他條件不變時,切縫寬度增加。實際上,激光功率增加,優(yōu)質(zhì)切割速度變大,優(yōu)質(zhì)切割速度范圍也擴大,這樣也提高了切割的品質(zhì)穩(wěn)定性和效率。 (3)焦點位置對割縫品質(zhì)的重要影響:通常壁厚小于3mm時,焦點處于上表面切割。對于厚壁管,一般都要入焦切割,這樣可增大注入到底面的能量,提高切割面的溫度,降低熔渣的黏度,有利于排渣,可得到較好的切縫。 3.割縫 直線割縫,斷面為矩形的窄縫(≦0.4mm),所需的縫寬可通過調(diào)整激光的功率、焦距、焦點位置、切割速度和氧氣壓力等參數(shù)來獲得。對壁厚9.17mm的N80級鋼管,采用帶脈沖的CO2氣體激光切割,先用低占空比超脈沖穿孔,然后逐步提高占空比和速度,最后達到連續(xù)激光2kW輸出,切割速度可達1m/min左右。 梯形割縫,斷面為梯形縫的切割,每條縫是通過采用來回切兩刀的方式,并且光軸不穿過管子的軸線,達到形成梯形的兩個側(cè)面。 割縫品質(zhì) 割縫面粗糙度為Ra<6.3m,熱影響硬化層厚度為0.3mm。 二、紙盒模切板的激光切割[10] 傳統(tǒng)的模切板制作,也就是在模板上開刀槽一重要技術(shù),多以手工鋸割為主,而手工操作難以保證刀槽的寬度均勻和線性精度穩(wěn)定,同時重復(fù)精度和定位精度更差。目前國內(nèi)常使用的多層木膠合板(Multiplex)激光切割刀槽技術(shù)外,國外還流行使用三明治鋼板(Sandwich)激光切割刀槽技術(shù)和纖維塑料板(Durama)高壓水噴射開槽技術(shù)。模切板的壽命主要取決于切刀的品質(zhì)和換刀次數(shù)。纖維塑料板和三明治鋼板不僅精度高,克服了多層木膠合板易受濕度和溫度變化影響的缺點,而且換刀次數(shù)分別為多層木膠合板的3倍和6倍以上。 1.激光切割平面木模切板 模切板激光切割系統(tǒng)由激光加工頭、計算器輔助設(shè)計與輔助制造(CAD/CAM)軟件、計算器數(shù)控裝置(CNC)、工作臺等組成。通過工作臺與激光束的相對運動切割出圖形,切割程序應(yīng)依技術(shù)要求編寫過橋、搭橋和切邊框,確定模切板激光切割的最佳路徑。 2.激光切割圓形模切板[10] 圓形模切板在國內(nèi)基本還采用傳統(tǒng)的手工鋸縫,精度和重復(fù)性很難達到要求,國內(nèi)多家單位展開了激光切割技術(shù)的研究,解決圓形模切板激光切割的技術(shù)問題。與平壓平模切機不同,圓壓圓模切機除可與卷筒紙印刷機組成聯(lián)機模切外,還能單獨使用,具有生產(chǎn)效率高、速度快、模切壓痕更精確的優(yōu)點。 三、激光切割用于層迭沖模模具的制造 激光切割普通合金工具鋼沖模已用于工業(yè)生產(chǎn)。激光切割200片高強度鋼板迭片式?jīng)_模(每片1.2mm)只需要10h,而采用傳統(tǒng)的模具加工方法則需要100~200h。為了降低激光切割含鉻鋼迭片式?jīng)_模切口的表面粗糙度,有人采用液氧、液氮等液體直接冷卻板材的方法[11]。 為了提高模具的壽命,人們想到了用激光切割鋼結(jié)硬質(zhì)合金[12]作為迭片式?jīng)_模的最上一層。淬火約3~5mm厚度的GW50鋼結(jié)硬質(zhì)合金,含有40%~50%WC,是一種高熔點、高硬度(硬度68~72HRC)、高耐磨材料,切削加工很困難,導(dǎo)電性差,因此電火花加工效率低。激光切割顯著地提高了硬化區(qū)的表面硬度達35%以上,割縫兩邊形成了一個熱影響硬化區(qū),深度達0.1~0.25mm,硬度達1100~1600HV。 4 三維激光切割 經(jīng)過模具壓軋成型后的汽車板金為立體形狀,一般再加工較為困難,而五軸聯(lián)動的CO2激光加工機可靈活地進行壓邊的切除和孔洞的開挖等空間曲線切割,充分顯示出激光加工的優(yōu)越性。 由于激光切割精度高,且快捷靈活,所以在切割金屬薄板領(lǐng)域中仍有廣泛的應(yīng)用,如小汽車車身成型后開天窗等。 5 脈沖固體激光的切割應(yīng)用 一、微噴水波導(dǎo)激光技術(shù) 微噴水波導(dǎo)激光(Water.jet guided laser)技術(shù)是通過一光學(xué)系統(tǒng)將激光束引入很細的水柱,水柱(水柱光波導(dǎo))隨即將激光能量通過全內(nèi)反射導(dǎo)向工件,而不需進一步聚焦。水柱可引導(dǎo)的光功率密度達到50MW/cm2,一般采用調(diào)Q的Nd:YAG激光器,平均輸出功率為30~70W。水柱噴射速度很快,水壓強度很低,約100~300Pa,金剛石噴嘴在射流中形成層流,以提供穩(wěn)定的光波導(dǎo)。水柱直徑50~100m,最大流速約1L/min,通過50~100mm的距離射向工件,其焦深極大。一般工作臺定位精度小于5m。由于液化材料的排出更有效,同時減小了電漿屏蔽效應(yīng),其切割速度往往超過或相當于傳統(tǒng)激光切割技術(shù)處理薄板(小于1mm)材料的速度。 微噴水波導(dǎo)激光技術(shù),可以用于一些其他方式難以加工的材料的完全切割,如形狀記憶合金、鉻鎳鐵合金、硅、砷化鎵、鍺、磷化銦和碳化硅芯片等的切割。 二、微噴水波導(dǎo)激光切割芯片 對于不同形狀的電池,可供選擇的制作方法還包括水切割和傳統(tǒng)激光切割。水柱切割會導(dǎo)致裂紋、碎屑之類的損耗,傳統(tǒng)激光切割產(chǎn)生余料、微裂等副作用,采用脈沖光纖激光器作為微噴水波導(dǎo)激光切割光源的效果好。如1060nm IPG脈沖光纖激光器,平均功率100W,脈沖寬度100ns,重復(fù)頻率50kHz。切割50m厚度硅片的速度為200mm/s。 5.2 紫外脈沖激光切割高精度模板 一、SMT金屬模板的激光切割[18] 在表面黏著組件之前,需要采用絲網(wǎng)印刷技術(shù),將焊錫膏印刷到電路板的連接焊盤上。絲網(wǎng)印刷的模板(Stencil)是印刷電路板中表面安裝屏蔽漏印焊膏用模板,目前主要是采用不銹鋼材料制作,也有少量模板采用高分子聚合物材料制作。不銹鋼模板的優(yōu)點是開口形狀穩(wěn)定,壽命長。目前全球每年約需要100萬片SMT用模板,并以每年10%的增長率增加。模板除了用于一般的表面黏著生產(chǎn)之外,在模板絲網(wǎng)印刷技術(shù)中還用于多接腳芯片封裝、陶瓷多層電路板、倒裝芯片和有機發(fā)光二極管(OLED’s)的生產(chǎn)。 1.對SMT用印刷模板的要求 (1)準確的開口位置和開口尺寸。 (2)開口有一定錐度,側(cè)壁光滑、無毛邊。 (3)材料厚度均勻,無應(yīng)力。 (4)模板張力分布均勻。 2.SMT模板的制作技術(shù) SMT金屬模板主要有三種制作技術(shù),化學(xué)腐蝕、激光切割和電鑄成型工藝;瘜W(xué)蝕刻是傳統(tǒng)技術(shù),使用最廣,但化學(xué)蝕刻的SMT模板開口呈碗狀,焊膏的釋放性能不好,且開口極易堵塞,所以要經(jīng)常清洗,此種模板的精度也比較低。同時化學(xué)刻蝕法還存在程序繁雜、加工周期長、腐蝕介質(zhì)污染環(huán)境等缺點。 為了防止模板阻塞,保證模板開口寬度與厚度的適當縱橫比是重要的,一般要求縱橫比大于1.5,還要保證開口面積比大于0.66,否則錫膏會保留在開孔內(nèi)。因此更高密度的印刷模板必須選用更薄的材料,而采用電化學(xué)技術(shù)方法又難以實現(xiàn)。激光切割模板技術(shù)有著一定的優(yōu)勢,其開口也呈梯形。 3.激光切割SMT用金屬模板的優(yōu)越性 (1)非接觸加工,沒有材料錯位變形。 (2)采用紫外激光加工,熱影響區(qū)極小。 (3)切割邊緣光滑(表面粗糙度不大于3m),無細小裂紋,無需進行后續(xù)處理。 (4)切孔的立體形狀呈梯形(大約的角度),利于焊膏釋放。 (5)焊錫膏印刷清晰、精確。 (6)切割邊緣位置準確度高,精度好。 (7)焊盤增補、修改方便。 (8)加工周期短,加工速度最高可達每小時50000個開口。 LPKF紫外脈沖激光SMT用模板切割機的技術(shù)參數(shù) (1)高重復(fù)頻率紫外調(diào)Q激光,激光波長355nm。 (2)可切割厚度50~500m的各種尺寸不銹鋼。 (3)可以切割包括圓角、方孔在內(nèi)的任何形狀的開口。 (4)有效光斑直徑20m。 (5)可以沿20m的切縫,加工出清晰的輪廓。 (6)可以切割小到30m的開口。 (7)強大的模板加工軟件,500000個開口的模板數(shù)據(jù)處理在5min之內(nèi)即可完成。 二、紫外激光切割高質(zhì)量的晶圓模板 采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在晶圓材料上印刷焊錫球,是將晶圓金屬凸點連接到電路載體上的一種低成本的技術(shù),是基于芯片焊盤與PCB之間的直接接觸的封裝技術(shù),用此技術(shù)可以生產(chǎn)高度小型化的封裝產(chǎn)品。該技術(shù)需要復(fù)雜程度極高的印刷模板,開口數(shù)目多達幾十萬個,且對精度的要求,明顯高于普通SMT用模板。制造這種模板需要使用非常薄、厚度偏差特別小的金屬箔材料。對于這種高精度模板采用電化學(xué)方法很難實現(xiàn),而單模紫外脈沖激光小的焦點光斑(聚焦點可小到亞微米量級)、高的功率密度和小的脈沖能量,使其特別適合切割加工這種高精度的晶圓模板 5.3 脈沖激光的其他微加工應(yīng)用 一、紫外脈沖激光切割電子陶瓷材料 陶瓷材料由于具備良好的電氣、機械和熱性能,在電路板和電子組件生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 二、脈沖激光切割硅片 像晶閘管的硅片,基體比較厚,采用集成電路芯片硅襯底的分割所用的激光劃片的方法很難分割開來,一般采用高峰值功率的激光束聚焦在硅片表面,使硅材料表面產(chǎn)生高溫汽化,而打出連續(xù)的盲孔,形成溝槽狀,通過進行多次刻劃而直接切開硅片。脈沖激光多次刻劃而直接切開(稱為Silicon Wafer Cutting)主要選用準連續(xù)基模聲光調(diào)Q激光器,波長1064nm,平均功率30W左右,調(diào)制頻率10~30kHz。 6 連續(xù)固體激光的切割應(yīng)用 金屬材料對YAG激光的吸收率比對CO2激光的吸收率大,且YAG激光器易采用光纖傳輸,整機體積小、操作維修方便,所以是很有前途的金屬加工光源。 6.1 大功率片狀激光器 應(yīng)用在汽車制造工業(yè)中的4000W連續(xù)片狀固體激光器(Disk Laser),通過200m的光纖耦合輸出,能用于板材切割。 6.2 大功率光纖激光器 光纖激光器以其免維護、壽命長、環(huán)境溫度影響小、光束模式好等優(yōu)勢,必將會開拓激光加工應(yīng)用的新市場。 IPG公司700W的單光纖激光器,光纖的輸出端最佳的光束參數(shù)小于1.4mm.mrad,遠優(yōu)于目前市場上的千瓦級的CO2激光器的輸出光束參數(shù)(大于12mm.mrad),并且具有極好的輸出光束。在150mm長焦深的情況下,其光束錐度不大于,而焦點處光斑直徑小于50m,因此可以為工作區(qū)提供輸出高功率密度的能力。光纖激光器還有如下優(yōu)點:轉(zhuǎn)換效率高,可達20%以上。壽命長,甚至可達10×104h,可長期連續(xù)運行。一體化設(shè)計,無需光學(xué)調(diào)校和維護,可在各種環(huán)境條件下運轉(zhuǎn)。無機械穩(wěn)定問題,靈活的光纖輸出,特別適合于三維數(shù)控切割加工。 光纖激光器優(yōu)異的光束品質(zhì)使其能很好地聚焦,可成功地切割那些有很高反射率的材料,如鋁、銅等金屬材料。
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