激光切割

激光切割(英语:Laser cutting)是一种使用激光光切割材料的技术,通常用于工业制造应用,但也开始被学校、小企业和业余爱好者使用。工作原理是透过光学系统引导高功率激光的输出。激光光切割采用的激光光是可控的单色光,强度高,能量密度大,透过光学系统聚焦可以产生巨大的功率密度。激光光学和CNC(电脑数值控制)被用来引导激光光束至材料表面,使高能激光束照射在工件的被加工的地方来完成加工。商用激光用于切割材料,使用运动控制系统根据CNC或G代码来追踪切割图案。聚焦的激光光束射向材料,材料熔化、燃烧、蒸发或被气体射流吹走,从而留下高质量表面光洁度的切割边缘。工业激光切割机用于切割平板材料以及结构和管道材料。[1][2][3]

激光切割机

激光光的光强度很高,几乎可以加工所有的金属和非金属材料,不止可以加工高硬度、高熔点材料,也可以加工脆性和柔性材料。由于激光加工是非接触加工,工作时不需要使用金属切刀或是磨料刀具。

历史

1965 年,西部电气工程研究中心制造了第一台量产型激光切割机,其运用为在钻石模具上钻孔[4]。随后于1967 年,英国首创了激光辅助氧气喷射切割金属的技术[5]。在70 年代初期,这项技术开始投入生产,并被应用于切割航空航天应用的钛合金。与此同时,CO2 激光也被用于切割非金属材料,例如纺织品,尽管当时 CO2 激光的功率还不足以克服金属的导热性[6]

方法

激光切割有许多不同的方法,不同的类型用于切割不同的材料。

汽化切割

这种方法通常用于切割木材、碳和热固性塑胶等不易融化的材料。在汽化切割中,利用聚焦光束将材料表面加热至一定温度,造成小孔洞形成。小孔洞导致材料对光的吸收率急剧增加,进而迅速加深孔洞。随着孔洞的加深和材料的沸腾,产生的蒸气会侵蚀周围的材料,形成喷射物,进一步扩大孔洞。

熔化并吹气

此方法常用于金属材料。利用高压气体将熔融材料从切割区域吹出,从而降低了功率需求,无需进一步升高材料的温度。

热应力开裂

可运用于脆性材料如玻璃的切割。利用光束局部加热和热膨胀,从而产生裂缝,并可通过移动光束来引导裂缝,裂纹移动速度可达每秒米(m/s)级别。

硅晶圆的隐形切割

半导体装置制造过程中,微电子芯片与硅晶圆的分离可以透过所谓的隐形切割制程进行。这个制程使用脉冲式Nd:YAG激光器进行操作,其波长为1064纳米。这个波长非常适合电子带隙(约1.11电子伏特,相当于约1117纳米)。

反应切削

又称为“燃烧稳定激光气体切割”或“火焰切割”,是一种类似于氧气炬切割的方法,但是使用激光光束作为点火源。这种技术主要用于切割厚度超过1毫米的碳钢。相对于传统的氧气炬切割,反应切割可以使用相对较小功率的激光来切割非常厚的钢板。

能量消耗

激光切割的主要缺点之一是高功耗。工业激光的效率通常介于5%到45%之间[7]。具体而言,特定激光的功耗和效率取决于输出功率和工作参数。这些参数包括激光的类型以及其与当前工作的匹配程度。对于特定的作业,所需的激光切割功率(也被称为热输入)会根据材料类型、厚度、使用的制程类型以及所需的切割速率而有所不同。

使用 CO2 激光处理不同厚度的不同材料所需的热输入量(瓦)[8]
材质 材质厚度
0.51 mm 1.0 mm 2.0 mm 3.2 mm 6.4 mm
不锈钢 1000 1000 1000 1500 2500
1000 1000 1000 3800 10000
软钢 400 500
250 210 210
木合板 650
硼/环氧树脂 3000

生产力与切割率

生产力和切削率受到多种因素的限制,包括激光功率、材料厚度、制程类型和材料特性。一般工业级系统(功率≥1千瓦)可以处理0.51至13毫米厚度的碳钢金属。相较于标准的锯切,对于许多应用而言,激光切割的速度快上许多,甚至可以达到三十倍[9]

使用 CO2 激光的切割速率(公分/秒)
材质 材质厚度
0.51 mm 1.0 mm 2.0 mm 3.2 mm 6.4 mm 13 mm
不锈钢 42.3 23.28 13.76 7.83 3.4 0.76
33.87 14.82 6.35 4.23 1.69 1.27
软钢 8.89 7.83 6.35 4.23 2.1
12.7 12.7 4.23 3.4 2.5 1.7
木合板 7.62 1.9
硼/环氧树脂 2.5 2.5 1.1

参考来源

  1. ^ Bromberg, Joan. The Laser in America, 1950-1970. MIT Press. 1991: 202 [2018-02-17]. ISBN 978-0-262-02318-4. (原始内容存档于2021-05-11). 
  2. ^ Oberg, Erik; Jones, Franklin D.; Horton, Holbrook L.; Ryffel, Henry H. Machinery’s Handbook 27th. New York, NY: Industrial Press Inc. 2004. ISBN 978-0-8311-2700-8. 
  3. ^ Todd, Robert H.; Allen, Dell K.; Alting, Leo. Manufacturing Processes Reference Guide. Industrial Press Inc. 1994 [2018-02-17]. ISBN 0-8311-3049-0. (原始内容存档于2016-12-06). 
  4. ^ Bromberg 1991,第202页
  5. ^ The early days of laser cutting, par P. A. Hilton, 11th Nordic Conference in Laser Processing of Materials, Lappeenranta, Finland, August 20–22, 2007, http://www.twi-global.com/technical-knowledge/published-papers/the-early-days-of-laser-cutting-august-2007页面存档备份,存于互联网档案馆
  6. ^ CHEO, P. K. "Chapter 2: CO2 Lasers." UC Berkeley. UC Berkeley, n.d. Web. 14 Jan. 2015.
  7. ^ http://www.laserline.de/tl_files/Laserline/downloads/broschueren/en/Laserline_Image_high_power_diode_laser.pdf页面存档备份,存于互联网档案馆) - Page 4:"High electrical/optical efficiency of up to 45%"
  8. ^ Todd, Allen & Alting 1994,第188页.
  9. ^ Laser Cutting. Laserage. [2016-08-23]. (原始内容存档于2018-04-28) (美国英语). 

外部链接