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雷射切割(英语:Laser cutting)是一种使用雷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、小企业和业馀爱好者使用。工作原理是透过光学系统引导高功率雷射的输出。雷射光切割采用的雷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。雷射光学和CNC(电脑数值控制)被用来引导雷射光束至材料表面,使高能雷射束照射在工件的被加工的地方来完成加工。商用雷射用于切割材料,使用运动控制系统根据CNC或G代码来追踪切割图案。聚焦的雷射光束射向材料,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。工业雷射切割机用于切割平板材料以及结构和管道材料。[1][2][3]
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雷射光的光强度很高,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。
1965 年,西部电气工程研究中心制造了第一台量产型雷射切割机,其运用为在钻石模具上钻孔[4]。随后于1967 年,英国首创了雷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 雷射也被用于切割非金属材料,例如纺织品,尽管当时 CO2 雷射的功率还不足以克服金属的导热性[6]。
雷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。
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。随著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。
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。
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公尺(m/s)级别。
在半导体装置制造过程中,微电子晶片与矽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雷射器进行操作,其波长为1064纳米。这个波长非常适合电子矽的带隙(约1.11电子伏特,相当于约1117纳米)。
又称为“燃烧稳定雷射气体切割”或“火焰切割”,是一种类似于氧气炬切割的方法,但是使用雷射光束作为点火源。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雷射来切割非常厚的钢板。
雷射切割的主要缺点之一是高功耗。工业雷射的效率通常介于5%到45%之间[7]。具体而言,特定雷射的功耗和效率取决于输出功率和工作参数。这些参数包括雷射的类型以及其与当前工作的匹配程度。对于特定的作业,所需的雷射切割功率(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 | − |
生产力和切削率受到多种因素的限制,包括雷射功率、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,雷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 |
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