激光加工应用（一）：激光切割和激光打孔

把激光切割和激光打孔放在一起讨论是因为它们都属于激光去除材料技术的应用。

1、激光切割

1）、激光切割原理激光切割是以连续或者重复脉冲方式工作，切割过程中激光光束聚焦成很小的光点（直径<0.1mm），使焦点处达到很高的功率密度。这时光束输入的热量远超被材料反射、传导和扩散的部分，材料很快被加热至熔化及汽化温度，与此同时一股高速气流从同轴或非同轴方向将熔化或汽化了的材料由材料下部吹出。随着光束和材料的相对移动，使孔洞形成宽度很窄的切割分割材料。

如下图所示：

2）、激光切割优势总的来说可以概括为：切割质量好；切割效率高；不粘熔渣，切缝窄，热影响区小；可以切多种材料如金属、非金属、复合材料等。

3）、工艺参数激光切割的主要工艺参数有激光功率、切口宽度、切割速度和气体流量。其他因素如激光光束质量、透镜焦距、离焦量和喷嘴等对于激光切割也有很大影响。激光功率：激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。例如，切割表面反射率高、导热性好的材料,以及切割熔点高的材料,需要较大的激光功率和功率密度。用不同的切割机理切割同种材料,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。随着板厚的增加,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。切割速度对于切口表面粗糙度也有较大影响。柳州激光切割

切口表面粗糙度与切割速度成U型变化，不同厚度的材料、不同的切割气体压力，有一个最佳的切割速度，在此速度下切割，切口表面粗糙度值越小。气体流量：在熔化切割时，依靠气体的压力把液态金属吹走，形成切口。在氧助熔化切割时，气体与金属反应释放热量，提供一部分切割能量，同时吹除反应物。另一方面，气体对材料又有冷却作用，会从切割区带走一部分能量。所以气体对切割质量的影响是两方面的。

在功率和切割的材料的板厚一定时，有一最佳的气体流量，这时切割速度最快。光束质量：激光器输出光束的模式为基模时对激光切割最为有利，这样通过聚焦后才能获得很小的光斑和较高的功率密度。光斑大小与聚焦透镜的焦距成正比。短焦距的透镜虽然可以得到较小的光斑，但是焦深很小。在切割厚板时，应选用焦距较大的聚焦透镜。离焦量对切割速度和切割深度影响较大，一般情况下，离焦量选用负值。喷嘴：激光切割一般采用同轴喷嘴（气流与光轴同心），喷嘴出口直径大小应按照板厚加以选择。

2、激光打孔随着现代工业和科学技术的迅速发展，高熔点、高硬度材料的使用越来越多，传统的加工方法已无法满足对这些材料的加工要求。例如，在高熔点的钼板上加工微米量级的孔；在硬质合金（碳化钨）上加工几十微米的小孔，在红蓝宝石上加工几百微米的深孔，以及金刚石拉丝模、化学纤维喷丝头等。激光打孔正是适应这些要求发展起来的

。1）、激光打孔原理激光打孔设备主要包括激光器、加工头、冷却系统、数控系统、操作盘等，如下图所示。激光切割厂家加工头将激光束聚焦在材料上需要打孔的位置，选择合适的工艺参数后，通过激光器发出的光脉冲就可以加工出所需要的孔。

激光打孔去除材料主要是与激光作用区内物质的破坏及相关的运动有关。严格分析激光打孔的成因需要解决打孔时产生的蒸汽和黏性液体沿孔壁流动的动力学问题，并考虑加热过程中所遇到的所有因素。这里只分析激光束的几何参数和总能量与孔的深度和孔径之间的关系。得出如下结论：激光打出的孔深度和孔径与激光脉冲能量成非线性关系，随着激光能量单调递增。但是随着光束发散角的减小，也就是透镜的数值孔径变小时，可以打出的孔深度增长而孔径减小。

2）、工艺参数脉冲宽度：窄脉冲能够得到较深而且较大的孔，宽脉冲不仅使孔深度、孔径变小,而且使孔的表面粗糙度变大,尺寸精度下降。对于导热性较好的材料，应使用较窄脉冲打孔以增加孔深；而对于导热性较差的材料，则可以用较宽的脉冲提高激光脉冲能量的利用率。离焦量：激光打孔去除材料的机理主要是材料的蒸发，因此激光的功率密度对打孔影响也很大。激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深,锥度较小。

在焦点处于表面下某一位置时，相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大降低,以至打成盲孔。脉冲激光的重复频率：一般来说，单个脉冲的宽度和能量不变时，脉冲激光的重复频率对孔径的影响不大。如果在用调Q方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功率基本不变，脉宽也不变，则重复频率越高，脉冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小，这样打出的孔的深度要减小。被加工材料对打孔的影响：材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。不同材料对不同激光波长有着不同的吸收率，这时候需要根据加工的材料性质选择对应的激光器。