激光加工應(yīng)用（一）：激光切割和激光打孔

把激光切割和激光打孔放在一起討論是因?yàn)樗鼈兌紝儆诩す馊コ牧霞夹g(shù)的應(yīng)用。

1、激光切割

1）、激光切割原理激光切割是以連續(xù)或者重復(fù)脈沖方式工作，切割過(guò)程中激光光束聚焦成很小的光點(diǎn)（直徑<0.1mm），使焦點(diǎn)處達(dá)到很高的功率密度。這時(shí)光束輸入的熱量遠(yuǎn)超被材料反射、傳導(dǎo)和擴(kuò)散的部分，材料很快被加熱至熔化及汽化溫度，與此同時(shí)一股高速氣流從同軸或非同軸方向?qū)⑷刍蚱说牟牧嫌刹牧舷虏看党觥ｋS著光束和材料的相對(duì)移動(dòng)，使孔洞形成寬度很窄的切割分割材料。

如下圖所示：

2）、激光切割優(yōu)勢(shì)總的來(lái)說(shuō)可以概括為：切割質(zhì)量好；切割效率高；不粘熔渣，切縫窄，熱影響區(qū)??；可以切多種材料如金屬、非金屬、復(fù)合材料等。

3）、工藝參數(shù)激光切割的主要工藝參數(shù)有激光功率、切口寬度、切割速度和氣體流量。其他因素如激光光束質(zhì)量、透鏡焦距、離焦量和噴嘴等對(duì)于激光切割也有很大影響。激光功率：激光切割時(shí)所需功率的大小，是由材料性質(zhì)和切割機(jī)理決定的。例如，切割表面反射率高、導(dǎo)熱性好的材料,以及切割熔點(diǎn)高的材料,需要較大的激光功率和功率密度。用不同的切割機(jī)理切割同種材料,所需要的功率也不同,汽化切割所需功率最大,熔化切割次之,氧助熔化切割所需功率最小。隨著板厚的增加,所需的激光功率增加。切割速度：在一定功率下，板越厚，切割速度越慢。切割速度對(duì)于切口表面粗糙度也有較大影響。柳州激光切割

切口表面粗糙度與切割速度成U型變化，不同厚度的材料、不同的切割氣體壓力，有一個(gè)最佳的切割速度，在此速度下切割，切口表面粗糙度值越小。氣體流量：在熔化切割時(shí)，依靠氣體的壓力把液態(tài)金屬吹走，形成切口。在氧助熔化切割時(shí)，氣體與金屬反應(yīng)釋放熱量，提供一部分切割能量，同時(shí)吹除反應(yīng)物。另一方面，氣體對(duì)材料又有冷卻作用，會(huì)從切割區(qū)帶走一部分能量。所以氣體對(duì)切割質(zhì)量的影響是兩方面的。

在功率和切割的材料的板厚一定時(shí)，有一最佳的氣體流量，這時(shí)切割速度最快。光束質(zhì)量：激光器輸出光束的模式為基模時(shí)對(duì)激光切割最為有利，這樣通過(guò)聚焦后才能獲得很小的光斑和較高的功率密度。光斑大小與聚焦透鏡的焦距成正比。短焦距的透鏡雖然可以得到較小的光斑，但是焦深很小。在切割厚板時(shí)，應(yīng)選用焦距較大的聚焦透鏡。離焦量對(duì)切割速度和切割深度影響較大，一般情況下，離焦量選用負(fù)值。噴嘴：激光切割一般采用同軸噴嘴（氣流與光軸同心），噴嘴出口直徑大小應(yīng)按照板厚加以選擇。

2、激光打孔隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，高熔點(diǎn)、高硬度材料的使用越來(lái)越多，傳統(tǒng)的加工方法已無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)這些材料的加工要求。例如，在高熔點(diǎn)的鉬板上加工微米量級(jí)的孔；在硬質(zhì)合金（碳化鎢）上加工幾十微米的小孔，在紅藍(lán)寶石上加工幾百微米的深孔，以及金剛石拉絲模、化學(xué)纖維噴絲頭等。激光打孔正是適應(yīng)這些要求發(fā)展起來(lái)的

。1）、激光打孔原理激光打孔設(shè)備主要包括激光器、加工頭、冷卻系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、操作盤(pán)等，如下圖所示。激光切割廠家加工頭將激光束聚焦在材料上需要打孔的位置，選擇合適的工藝參數(shù)后，通過(guò)激光器發(fā)出的光脈沖就可以加工出所需要的孔。

激光打孔去除材料主要是與激光作用區(qū)內(nèi)物質(zhì)的破壞及相關(guān)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。嚴(yán)格分析激光打孔的成因需要解決打孔時(shí)產(chǎn)生的蒸汽和黏性液體沿孔壁流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，并考慮加熱過(guò)程中所遇到的所有因素。這里只分析激光束的幾何參數(shù)和總能量與孔的深度和孔徑之間的關(guān)系。得出如下結(jié)論：激光打出的孔深度和孔徑與激光脈沖能量成非線性關(guān)系，隨著激光能量單調(diào)遞增。但是隨著光束發(fā)散角的減小，也就是透鏡的數(shù)值孔徑變小時(shí)，可以打出的孔深度增長(zhǎng)而孔徑減小。

2）、工藝參數(shù)脈沖寬度：窄脈沖能夠得到較深而且較大的孔，寬脈沖不僅使孔深度、孔徑變小,而且使孔的表面粗糙度變大,尺寸精度下降。對(duì)于導(dǎo)熱性較好的材料，應(yīng)使用較窄脈沖打孔以增加孔深；而對(duì)于導(dǎo)熱性較差的材料，則可以用較寬的脈沖提高激光脈沖能量的利用率。離焦量：激光打孔去除材料的機(jī)理主要是材料的蒸發(fā)，因此激光的功率密度對(duì)打孔影響也很大。激光聚焦于材料上表面時(shí)，打出的孔比較深,錐度較小。

在焦點(diǎn)處于表面下某一位置時(shí)，相同條件下打出的孔最深；而過(guò)分的入焦和離焦都會(huì)使得激光功率密度大大降低,以至打成盲孔。脈沖激光的重復(fù)頻率：一般來(lái)說(shuō)，單個(gè)脈沖的寬度和能量不變時(shí)，脈沖激光的重復(fù)頻率對(duì)孔徑的影響不大。如果在用調(diào)Q方法取得巨脈沖時(shí)，脈沖的平均功率基本不變，脈寬也不變，則重復(fù)頻率越高，脈沖的峰值功率越小，單脈沖的能量也越小，這樣打出的孔的深度要減小。被加工材料對(duì)打孔的影響：材料對(duì)激光的吸收率直接影響到打孔的效率。不同材料對(duì)不同激光波長(zhǎng)有著不同的吸收率，這時(shí)候需要根據(jù)加工的材料性質(zhì)選擇對(duì)應(yīng)的激光器。