镭射切割
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镭射切割（英语：Laser cutting）是一种使用镭射光切割材料的技术，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镭射的输出。镭射光切割采用的镭射光是可控的单色光，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。镭射光学和CNC（电脑数值控制）被用来引导镭射光束至材料表面，使高能镭射束照射在工件的被加工的地方来完成加工。商用镭射用于切割材料，使用运动控制系统根据CNC或G代码来追踪切割图案。聚焦的镭射光束射向材料，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。工业镭射切割机用于切割平板材料以及结构和管道材料。[1][2][3]
镭射光的光强度很高，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。由于镭射加工是非接触加工，工作时不需要使用金属切刀或是磨料刀具。
历史
[编辑]1965 年，西部电气工程研究中心制造了第一台量产型镭射切割机，其运用为在钻石模具上钻孔[4]。随后于1967 年，英国首创了镭射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 镭射也被用于切割非金属材料，例如纺织品，尽管当时 CO2 镭射的功率还不足以克服金属的导热性[6]。
方法
[编辑]镭射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
[编辑]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
[编辑]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
[编辑]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
[编辑]在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镭射器进行操作，其波长为1064纳米。这个波长非常适合电子硅的带隙（约1.11电子伏特，相当于约1117纳米）。
反应切削
[编辑]又称为“燃烧稳定镭射气体切割”或“火焰切割”，是一种类似于氧气炬切割的方法，但是使用镭射光束作为点火源。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镭射来切割非常厚的钢板。
能量消耗
[编辑]镭射切割的主要缺点之一是高功耗。工业镭射的效率通常介于5%到45%之间[7]。具体而言，特定镭射的功耗和效率取决于输出功率和工作参数。这些参数包括镭射的类型以及其与当前工作的匹配程度。对于特定的作业，所需的镭射切割功率（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。
| 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 |
| 铝 | 1000 | 1000 | 1000 | 3800 | 10000 |
| 软钢 | − | 400 | − | 500 | − |
| 钛 | 250 | 210 | 210 | − | − |
| 木合板 | − | − | − | − | 650 |
| 硼/环氧树脂 | − | − | − | 3000 | − |
生产力与切割率
[编辑]生产力和切削率受到多种因素的限制，包括镭射功率、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，镭射切割的速度快上许多，甚至可以达到三十倍[9]。
| 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 |
| 铝 | 33.87 | 14.82 | 6.35 | 4.23 | 1.69 | 1.27 |
| 软钢 | − | 8.89 | 7.83 | 6.35 | 4.23 | 2.1 |
| 钛 | 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
[编辑]- ^ 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）.
- ^ 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.
- ^ 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）.
- ^ Bromberg 1991，第202页
- ^ 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）
- ^ CHEO, P. K. "Chapter 2: CO2 Lasers." UC Berkeley. UC Berkeley, n.d. Web. 14 Jan. 2015.
- ^ 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%"
- ^ Todd, Allen & Alting 1994，第188页.
- ^ Laser Cutting. Laserage. [2016-08-23]. （原始内容存档于2018-04-28） （美国英语）.
外部链接
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