[发明专利]激光切割工艺

说明书

技术领域

本发明涉及激光切割工艺。

背景技术

激光是通过原予受激辐射发光和共振放大形成的。原子具有一些不连续分布的能级，电子在最靠近原予核的轨道上转动时是稳定的，这时原子所处的能级为基态。当有外界能量传入，则电子运行轨道半径扩大，原子内能增加，被激发到能量更高能级，这时称之为激发态或高能态。被激发到高能级的原子是不稳定的，总是力图回到低能级去。原子从高能级到低能级的过程称之为跃迁。当原子跃迁时，其能量差则以光的形式辐射出来，这就是原子发光，是自发辐射的光，又称荧光。如果在原子跃迁时是受到外来光子的诱发，原子就会发射一个与入射光子的频率、相位、传播方向、偏振方向完全相同的光子，这就是受激辐射的光。

原予被激发到高能级后，会很快跃迁回低能级，它停在高能级的时间称为原子在该能级的平均寿命。氦、氖、氪原子，钕离子和二氧化碳分子等在外来能量的激发下，使处于高能级的原子数大于低能级的原子数，这种状态称为粒子数反转。这时，在外来光子的刺激下，产生受激辐射发光，这些光子通过谐振腔的作用产生放大，受激辐射越来越强，光速密度不断增大，形成了激光。

激光的特性

激光与其它光相比，具有以下的特点：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。

(1)高亮度

激光器的发光截面和立体分散角都很小，丽输出功率却很大，其亮度远远高于太阳的亮度，经透射镜聚焦后，能在焦点附近产生几千度甚至上万度的高温，因而能加工几乎所有的材料。

(2)高方向性

激光的高方向性主要是由受激发射机理和光学谐振腔对振荡光束方向的限制作用所决定的。激光的高方向性使得激光能有效地传递较长距离，能聚焦到极高的功率密度，这两点是激光加工的重要条件。

(3)高单色性

激光器发出的全部光辐射只集中在很小的频率范围内，其单色性极高，几乎完全消除了聚焦透镜的色散效应，使得光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度，相应的功率密度可达0.10～10³/cm²，比一般的切割热源高几个数量级。

(4)高相干性

相干性好，在较长日寸间内有恒定的相位差，可以形成稳定的干涉条纹。

从以上特性可以看出，激光是一种理想的切割热源。

从上世纪70年代后期，自从激光切割技术投入到生产应用以来，发展的速度很快，切割技术也变得日趋完善，促使激光切割技术得到更多使用的主要原因是激光切割的独特优点。激光切割是板材下料过程中的重要加工方式：与传统的等离子切割、火焰切割相比，激光切割具有切缝窄、热影响区比较小、切割速度快、切边比较光滑等特点。归纳起来，激光切割的主要特点如下：

(1)产品质量可靠，切割精度高。

(2)表面粗造度小，切口平行度好，对做冲模有利。

(3)无工件磨损，易于数控或计算机控制，并可多工位操作，如在激光切割过程中，我们只须定位而不需要夹紧，无“刀具”磨损、无“切削力”作用于工件上。

(4)加工灵活性好，既能切割立体工件，又能够切割平面共建。

(5)使用范围非常广泛，可切割不锈钢、石英、陶瓷、玻璃、碳钢、塑料、橡胶、复合材料、台金钢等。

(6)激光切割的深宽比高，对于金属切割可以达到20：1左右，并可以切割不穿透的盲槽。

(7)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；能使板材的切割效率提高8～20倍。

(8)清洁、噪声低、安全、无污染。这些大大改善了工人的工作环境。

自从20世纪80年代以来，计算机数控技术与激光切割技术结合起来的数控激光加工技术，使激光切割技术增添了很多亮点，显示出了非常大的优越性。激光切割现已广泛地应用于造船、机械制造、石油工业、航空航天、汽车、包装业、军工等多个领域，为现代制造业注入了新的活力。

激光加工是激光应用的首要领域。激光加工业兴起于70年代，在西方销售额增长很快，1970年为600万美元，1980年为7000万美元，1985年为2.8亿美元，当时年增长率为20％～25％，已形成一个新兴的产业。

激光加工是指用高功率激光束对工业用零部件进行切割、热处理、焊接、打孔等等，与传统加工方法相比，激光加工的特点是：激光束能量高度集中，加工区域小，因而热变形小，加工质量高、精度高，加工件不受尺寸、形状限制，不需冷却介质，而且无污染，噪声小，劳动强度低，效率高。激光加工技术的产业化正在我国兴起。