激光切割（Laser天博综合APP官方下载 Cutting）

　　天博综合APP官方下载天博综合APP官方下载天博综合APP官方下载《光电科学》（Opto-Electronic Science）杂志新近发表的一篇文章报道了高品质钻石如何增强窄带深紫外光探测能力。

　　各种激光切割（或激光束切割）的方法--通过在固体零件之间形成一个小的间隙（切口，见图2），用强烈的激光束把它们分开--是工业激光材料加工的一个重要学科，或者更确切地说，是激光束加工。激光切割适用于广泛的材料，包括许多金属（如不同类型的钢、钛合金、黄铜、铜、铝）、陶瓷、玻璃、半导体和其他晶体。对于其中一些，几乎没有任何替代的切割方法，而另一些则与传统技术如冲孔或等离子切割竞争。即使在这些领域，激光切割也变得暂时性地更加重要，例如，因为一些允许在汽车制造中采用较低重量解决方案的硬钢对冲床机械造成了问题。

　　图1：一个正在工作的激光加工头，产生热碎片。资料来源。Fraunhofer ILT, Aachen, 德国。

　　许多金属部件，例如机床、船舶、汽车和家用物品（如厨房水槽），最初都是由较大的金属板制成，需要从中切割出来。

　　通常，人们需要去除一些材料，例如，减少重量，为电缆做穿透，插入其他部件，等等。为此，需要从工件上切出一个或几个长方形或圆形的区域，例如。

　　许多由其他材料组成的部件也需要类似的操作，如半导体芯片、陶瓷、显示器用玻璃、固体塑料和聚合物薄膜、家具用木材等。

　　一个特殊的领域是激光微机械加工，在这个领域中，需要生产极其精细的结构（例如植入心脏动脉的支架或微机电系统）。

　　因此，某些技术发展依赖于特殊的激光切割工艺，甚至每个家庭现在都有大量的物品是用激光切割的。

　　图2：一束激光慢慢向右移动，在金属片上切割。产生的切口宽度与光束直径相似。

　　在大多数情况下，激光切割被应用于大规模的工业制造中；而在小型的制造场所中，由于激光切割设备的成本往往过高，所以手工操作的部分较少见。工业上的典型优势来自于非接触加工，特别是避免了机械工具的退化，以及方便地集成到复杂的计算机控制的机器中，从而实现了高速和极大的灵活性。缺点是耗电量通常较高，与机械工具相比，例如冲孔；然而，耗电量仍然明显低于等离子切割。加工结果的质量在很大程度上取决于各种细节，如加工材料、采用的切割方法等，其范围可以从令人满意到出色。

　　在许多情况下，激光切割后会有进一步的激光加工，例如通过改善边缘质量的方法或通过激光焊接。

　　图3：在金属片上切割轮廓线。穿孔是在轮廓线之外进行的，以避免穿孔的直径有所增大而导致质量下降。

　　激光切割在某些方面与钻孔相似，但它的目的是在一定长度上分离零件。它通常从钻孔开始（这里：称为穿孔），以获得一些初始孔，在此基础上，通过激光加工头和/或工件的平稳移动，可以继续进行轮廓切割过程。在最简单的情况下，切割是沿着直线进行的，但也有可能切割复杂的轮廓，甚至是陡峭的边缘。矩形和圆形的轮廓是最常见的，但有些应用需要相当复杂的形状。

　　尽管穿孔通常只涉及总加工量的极小部分，但它会大大增加加工时间并带来质量问题。已经开发了一些特殊的方法，例如，在所需的轮廓线之外进行穿孔，并适当地将光束引入切割轮廓线，有时将速度和激光功率提升到最终值。

　　图4：不锈钢零件，在195毫秒内用1000瓦的激光功率从0.1毫米厚的板材上切割下来。来源。弗劳恩霍夫IWS，德国德累斯顿。

　　对于重型机械所需的厚钢板的切割，例如造船业，人们大多使用仅基于金属熔化的切割工艺。这是因为熔化需要的热量比汽化少得多，因此可以实现合理的加工速度而不需要过多的激光功率。材料通过高压气体射流排出，从激光加工头（切割头）射向工件，工作距离很小，大约为1毫米至2毫米。气体射流还能保护激光加工头免受碎片的伤害。

　　通常需要多千瓦的激光功率（有时超过10千瓦），特别是对于较厚的板材，但不一定要有很高的光束质量，因为所需的切口宽度（通常在2毫米左右）无论如何都是比较大的--我们必须防止部件因熔融材料的重新凝固而重新结合。因此，我们可以用一个相对较大的光束直径来工作，有效的瑞利长度很容易比板材厚度长很多。

　　连续波和脉冲激光器都可以使用；高功率二氧化碳激光器已经使用了很多年，特别是用于切割相对较厚的板材，但现在越来越多地被二极管泵浦的高功率固体激光器（包括光纤激光器）所取代，特别是用于较薄的板材。在光束传输方面，人们经常使用高功率光纤电缆；在这里，不可能在输出端有很高的光束质量，这是可以接受的。

　　如果金属板的厚度不超过几毫米，用几千瓦的激光功率就可以实现每分钟几米的切割；如果厚度较大，切割过程就会大大减慢。所获得的切割结果的质量往往不是很高；通常可以观察到大量的波纹和其他缺陷，还有大量的热影响区和氧化。

　　当纯化的氧气喷射与激光束一起注入时，切割速度可以提高数倍。这将导致被排出的金属（如钢）的氧化（燃烧），从而为加工过程提供大量的额外热量--这可能大大超过了激光引入的热量。相对于所需的激光功率，这种反应式切割（也称火焰切割或燃烧稳定的激光气体切割）的切割效率也相应提高。另一方面，从表面粗糙度（波纹）来看，结果的质量暂且较低，因为在切割表面容易形成氧化层。这种氧化层会在后续加工步骤中造成问题，如激光焊接和涂层。如果需要额外的工艺来解决这些问题，那么更高的加工速度的优势可能会逐渐消失。

　　为了对较薄的金属板进行精细切割（精密切割），并大幅提高加工质量，采用了合适的切割方法。在这里，人们主要使用脉冲激光器，最好是纳秒甚至更短的脉冲持续时间；固态激光器在这个领域占主导地位。还需要更高的光束质量（有时甚至是衍射限制）。通过更强的聚焦和脉冲，使应用的光学强度如此之高（例如108 W/cm2），以至于材料的驱逐主要是以蒸汽的形式发生。通过使用惰性工艺气体如氮气（N2）或氩气，可以防止氧化。不幸的是，加工效率相应较低，也就是说，对于相同的板材厚度，每单位长度需要更多的激光能量。

　　术语升华切割也被使用，尽管严格意义上的升华通常不会发生。在激光切割的背景下，它基本上是指汽化发生得如此之快，以至于在任何时候都没有明显的熔体存在于工件上。这在很大程度上消除了由熔体动态产生的波纹问题。

　　图5：一台正在工作的激光切割机。资料来源：斯图加特海峡工程学院。斯图加特海峡工业学院。

　　一种精炼的技术是在小直径的水射流中引导激光束（水束引导的激光钻孔，水微喷激光钻孔）。在这里，水射流由一个直径为50微米的喷嘴形成，在几毫米或几厘米的距离内向工件落下。激光束（例如来自纳秒YAG激光器）被注入水射流，水射流作为一个光波导，通过其外表面的全内反射将光引导到工件上。由于高折射率对比（水与空气），即使激光器的光束质量很低，光束引导也能很好地发挥作用。不需要精确控制工作距离，因为水射流的直径变化不大。水还能起到清除碎片的作用。

　　在工件上，光可以逃逸并与工件相互作用，而水则有效地冷却工件，从而避免了任何明显的热影响区。请注意，尽管有冷水的存在，激光脉冲仍能烧蚀材料，因为对撞击表面的脉冲加热是如此之快，以至于在那么短的时间内，无论是通过水还是通过热传导进入被加工材料，能量损失都很小。水的冷却主要发生在脉冲之间更长的时间间隔内。

　　对于微细加工，人们使用更强的聚焦光束和更短的脉冲持续时间，在皮秒或甚至飞秒领域。所需的超快激光器通常具有较高的光束质量，使其辐射易于紧密聚焦。不幸的是，在平均功率方面，它们比长脉冲激光器要昂贵得多，也更受限制。由于平均功率较低，加工速度也随之降低，但对于所需切割的相对较小的尺寸来说，这实际上并不重要。

　　一个经常提出的应用实例是切割植入心脏动脉和其他血管的支架，例如用于治疗中风的大脑。

　　只要激光束的质量足够高，在较远的距离上应用激光束是没有问题的，但不可能在较远的距离上提供高压喷射的加工气体。因此，远程切割通常必须在没有这种气体的情况下工作，这意味着严重的限制。另一方面，避免的气体消耗当然是一个优势，而且切割头的结构也大大简化了。

　　图7：汽车零件的三维激光切割。来源。Fraunhofer IWS，德国德累斯顿。

　　许多激光切割工艺基本上只在两个维度上工作，例如在平面金属板上。这时，只需在两个维度上移动工件或激光头，保持激光头的方向固定（主要是在工件上的正常光束入射）。

　　更加灵活的激光切割机可以进行三维切割，即也包括改变激光束方向或工件的方向。例如，在对已经弯曲或具有更复杂几何形状的工件进行切割操作时，就需要这样做。这类机器需要有相应的更复杂的运动设备（包括执行器、位置传感器、电子和软件）。

　　在任何情况下，一些机器都为高速切割而优化。它们既需要快速运动设备和高激光功率，也可能需要快速装卸零件的设备。从经济上讲，为了最大限度地利用昂贵的激光器和光学系统，尽量减少加工时间以达到最大的日产量是很有好处的。

　　在各种工业应用领域都需要切割玻璃，例如平板显示器的制造、汽车和其他窗户，包括光学窗和建筑窗，以及电子。因为玻璃很脆，而且对可见光和近红外光是透明的，所以特殊的玻璃切割方法已经被开发出来。在许多情况下，所使用的机制与切割金属的机制有很大不同。例如，人们可以利用热诱导的机械应力，这可以导致玻璃的可控裂纹（劈裂）（激光划线和断裂，热应力切割）。

　　在其他情况下，人们在局部熔化玻璃，然后用气体喷射将熔体吹走，类似于一些金属切割技术。这种方法往往会引起巨大的应力，这可能会导致裂缝，但这种趋势在很大程度上取决于玻璃的膨胀系数，而不同类型的玻璃在这方面有很大的不同。此外，人们可以通过在相当热的状态下切割玻璃来减轻这种问题，在这种状态下，玻璃已经变得稍微柔软。

　　近红外激光器的辐射通常不会被玻璃吸收。有两种不同的方法可以用来获得所需的吸收。

　　一种是使用CO2激光器，在10.6μm左右开会，大多数玻璃在这里有强烈的吸收。这种激光器以适度的成本提供大量的输出功率。然而，脉冲持续时间要比理想的长。

　　超快激光器可以被使用（通常是飞秒脉冲持续时间），当局部强度高到足以获得激光诱导击穿。这可以实现最精确的玻璃切割，即使是具有较大热膨胀系数的材料，也不需要加热所有的玻璃，但不幸的是，激光系统的成本会大大增加。

　　首先，工件的既定参数，如材料、厚度和所需的切割轮廓，确定了基本条件。请注意，一种材料的不同变体--例如不同类型的钢--在激光切割中的表现会有很大差异。切割过程往往需要根据具体的材料种类进行调整。

　　关于切割结果，获得的切口宽度往往很重要。它需要足够大，以获得安全的分离，但不应该大于必要的宽度，以尽量减少材料的损失和需要清除的碎屑数量。

　　各种参数可用于评估切割结果的质量，例如切口的形状、热影响区的宽度以及有关所获得的切割表面的光滑度和背面沉积的材料数量的一些参数。什么样的参数最适合量化结果的质量，这取决于应用。

　　以米/分钟为单位的切割速度通常具有很高的实际意义，它主要取决于所使用的激光功率、材料类型和厚度，以及各种工艺细节，如光束聚焦和应用工艺气体的流量和压力。

　　除了维护要求外，电耗和气耗（每米切割材料的规定）决定了很大一部分的操作成本。电力消耗在很大程度上取决于所使用的激光器的插壁效率；现代设备，如二极管泵浦的薄盘激光器的效率远远高于各种老式激光器。效率的提高也降低了冷却要求。

　　各种质量特征也可能是非常重要的。例如，有些工艺可以实现高质量的穿孔，避免了在最终轮廓之外穿孔的需要。另一个可能具有较高相关性的方面是对轮廓中的尖锐边缘进行加工，以实现质量和所需时间。

　　特别是在精密加工方面，现在经常使用二极管泵浦固体激光器。它们通常是纳秒级的脉冲，或者有时是皮秒级甚至飞秒级的短脉冲。

　　非常不同的激光器类型被用于特殊情况，如玻璃和聚合物材料的切割。有时甚至还使用准分子激光器，在这种情况下，对强紫外线脉冲的高度吸收是必不可少的。

　　图9：一台远程激光切割机。来源。Fraunhofer IWS，德国德累斯顿。

　　核心部分是激光源，例如一个平均输出功率为几百瓦甚至几千瓦的Q开关固体激光系统。它通常需要一些辅助单元，特别是用于冷却激光器。

　　光束传输系统将激光传输到应用区域。为了跨越大的距离，人们通常使用大功率的光纤电缆。

　　激光加工头需要相对于工件进行移动。这可以通过只移动工件、只移动激光头（飞行光学），或采用混合解决方案，将某些自由度分配给一侧或另一侧来实现。

　　加工头通常配备有加工气体的供应。在某些情况下，偶尔需要更换气体喷嘴，以便在不同的加工条件下使用优化的气体喷嘴。

　　由于激光功率很大，激光安全是一个重要问题。它可以通过非常不同的方式来提供，例如，只在带有联锁的封闭壳体内进行切割，或者在自动化生产期间整个区域内没有任何人员。

　　图10：用机器人手臂上的切割头进行高速激光切割。来源。Fraunhofer ILT, Aachen, 德国。

　　先进的激光切割机通常可以控制五轴甚至六轴的运动，不仅可以在一个平面上切割工件，还可以切割三维零件，例如，由机器人手臂上的激光头从不同方向进入。

　　虽然有些切割机完全为一种特定的应用而优化，但也有多用途的机器，具有很大的灵活性，以适应不同的情况。

　　灵活地使用具有复杂的计算机控制的切割机是实现最大生产力的关键，也就是说，也是优化利用昂贵的激光系统的关键。因此，特别是大型机器不仅包含快速的高精度运动控制，而且还具有接口，例如与CAD/CAM软件的接口，并很好地集成到制造环境中。它们还包含大量的传感器，用于监测过程以及各种内部参数，以快速识别可能的故障。机器的健康状况可以自动传达给制造商，这样就可以有效地计划和安排必要的维修操作。