H-激光加工设备总论

团结普瑞玛培训教程之二

激光加工设备总论

王瑞延 徐世璞 付百泉 编写

上海团结普瑞玛激光设备有限公司

2006年

目录

第一章 第二章

一

概述 . .......................................................................................................................................................... 1 激光加工机理 . .......................................................................................................................................... 3 激光切割 . .................................................................................................................................................. 4 1. 汽化切割 . .............................................................................................................................................. 4 2. 熔化切割 . .............................................................................................................................................. 4 3. 氧化熔化切割 . ...................................................................................................................................... 5 4. 导向断裂切割 . ...................................................................................................................................... 5 激光焊接 . .................................................................................................................................................. 5 激光加工典型应用 . .................................................................................................................................. 9 1. 切割 . ...................................................................................................................................................... 9 2. 焊接 . ...................................................................................................................................................... 9 3. 表面处理 . ............................................................................................................................................ 10 激光加工设备的组成 . ............................................................................................................................ 12 激光加工设备的场地、环境要求 . ........................................................................................................ 16 地面及基础 . ............................................................................................................................................ 16 1. 平整、坚固 . ........................................................................................................................................ 16 2. 垫铁 . .................................................................................................................................................... 16 3. 防震 . .................................................................................................................................................... 16 4. 管线沟 . ................................................................................................................................................ 16 5. 安全通道 . ............................................................................................................................................ 16 环境条件 . ................................................................................................................................................ 16

二 三

第三章 第四章

一

二

第一章 概述

上海团结普瑞玛激光设备有限公司，是一家专业从事各类型成套激光设备的研发和生产的高科技股份制企业。

图 1 激光演示设备及效果

图 2 半导体激光弱视治疗仪 图 3 手持激光测距仪

图 4 激光切割机

望文生义，或者叫顾名思义，激光设备应该是指利用激光进行工作的设备。激光干涉仪、激

光照排机、激光唱机、激光美容治疗机、激光演示仪，„„，都是激光设备。激光加工设备属于激光设备。

图 5 激光打标机 图 6三坐标测量机

在目前，团结普瑞玛主要生产激光加工设备。

那么，什么是激光加工？简单而言，就是利用激光与材料的相互作用，实现对材料的加工，

比如材料去除（激光切割），材料连接（激光焊接），材料烧蚀（激光打标），„„，等等。用于激光加工的激光器，与其他用途的激光器相比，最突出之处是功率大，一般是几百瓦，上千瓦；而激光治疗仪一般在几十瓦以内，多媒体演示用激光器则从数百毫瓦到几瓦。

顺理成章，激光加工设备，就是利用激光对材料进行加工的设备。

在现阶段，团结普瑞玛主要生产激光切割和激光焊接设备，其中，又以激光切割机为主。在激光切割机市场上，团结普瑞玛占据行业第一的地位。

第二章 激光加工机理

回过头来，我们探讨一下激光加工的机理。

1. 辅助气体Process gas 4. 切割速度Cutting speed 7. 切割粗糙度Cut roughness

2. 喷嘴Cutting nozzle 5. 熔融物Molten material

8. 热影响区Heat affected zone

3. 喷嘴高度Nozzle offset 6. 渣Dross

9. 割缝宽度Kerf width

图 1 激光切割原理

激光加工的机理是，激光照射到被加工物上，其能量在短时间内高度集中，瞬间使物质熔化和气化。用这种方法进行钻孔、切割、焊接、刻蚀，解决了坚硬、极脆、难熔物质的加工困难，而且速度快、精度高、工件变形微乎其微，特别适于对精密部件和微型部件的操作，并且比一般

加工工艺更为经济。另外，用激光进行工件表面的热处理，可使其表面形成液化速凝薄层，从而增强了表面的硬度和强度，大大提高表面的耐磨性。

用激光给手表的红宝石轴承打孔，1秒钟可以加工14只到16只，合格率达99%；用激光加工发动机燃烧室及涡轮叶片等部件的密集小孔，加工费可降低70%～80%。用激光对发动机气缸内壁作表面处理，硬度和耐磨性提高约10倍，气缸的寿命成倍提高。

总结起来，典型应用有： ✓ 热转换：退火、硬化、重熔。

✓ 连接：焊接、钎焊、传导焊、穿透焊。 ✓ 改性：合金化、上釉、表面硬化。 ✓ 材料去除：即打孔、切割、剥离。 ✓ 烧蚀：即打标、划刻、电路元件的微调。

一 激光切割

不同的材料，切割机理是不一样的。主要分：汽化切割、熔化切割、氧化熔化切割、控制断裂切割。

1. 汽化切割

激光束焦点处功率密度非常高，可达106W/cm2以上，激光光能转换成热能，保持在极小的范围内，材料很快被加热至汽化温度，部分材料汽化为蒸汽逸去，部分材料被辅助气体吹走，随着激光束与材料之间的连续不断的相对运动，便形成宽度很窄（如0.2mm ）的割缝。这种切割机制的功率密度在108W/cm2左右。一些不能熔化的材料，如木材、碳素材料和某些塑料即通过这种机制进行切割。

汽化切割过程中，带走质点和冲刷碎屑，形成孔洞。汽化过程中，材料的40％化作蒸汽逸去，其余约60％，则以熔滴形式被辅助气流吹走。

2. 熔化切割

当入射的激光束的功率密度超过某一阈值时，被激光束照射处的材料内部开始蒸发，形成孔

洞，作为黑体吸收所有的入射激光束能量。小孔被熔化金属所包围。与激光束同轴的辅助气体，把孔洞周围的熔融材料带走、驱除。这种切割机制的功率密度在107W/cm2左右。

3. 氧化熔化切割

如果在熔化切割过程中吹送氧气，作为切割辅助气体，材料在激光束照射下被点燃，与氧气发生激烈的化学反应，从而产生另一热源，称为氧化熔化切割。

（1）

材料表面在激光束照射下，很快被加热到燃点温度，与氧气发生激烈的燃烧反应，放出大量热量，在此热量作用下，材料内部形成充满蒸汽的小孔，而小孔周围为熔融的加工材料所包围。

（2）

燃烧物质转移成熔渣，控制氧和加工材料的燃烧速度，氧气流速越高，燃烧化学反应和去除熔渣的速度也越快。但是，如果氧气流速过快，将导致割缝出口处的反应产物即金属氧化物的快速冷却，对切割质量造成不利影响。

（3）

切割过程存在两个热源：激光束照射能和化学反应所产生的热能。据估计，切割碳钢时，氧化反应所产生的热能约占切割所需能量的60％。

（4）

在氧化熔化切割过程中，如果氧化燃烧的速度高于激光束移动速度，割缝将变宽且粗糙，反之，如果移动速度慢，则割缝窄而光滑。

4. 导向断裂切割

某些受热易破坏的脆性材料，通过激光加热，引起定向加热梯度、高机械应力和严重机械变形，从而形成裂缝，裂缝原则光束移动方向不断生成，最终将材料切断，称为导向断裂切割。如果保持均衡的热梯度，激光束可引导裂缝在任何需要的方向产生。导向断裂切割切勿使用太高的功率，否则会引起无规则龟裂或者材料表面熔化，导致切割失败。

二 激光焊接

激光焊接工艺通常要比切割工艺复杂一些。

1. 等离子云Plasma Cloud

2. 熔融物Molten material

3. 钥匙孔Keyhole

4. 焊接深度Weld depth

图 2 热传导激光焊接原理

激光焊接的特点是：

1）非接触焊接，通常不需要填料。

2）焊接速度快，热影响区小，工件不易变形。

激光焊接属于热传导型，即激光辐射加热工件材料表面，表面热量通过热传导向内部扩散，使工件熔化，形成特定的熔池。在焊接过程中，光能除熔化金属外，还以汽化、形成等离子体等形式表现出来。要实现良好的焊接，就要控制激光参数，使激光能量主要用于金属熔化。

激光焊接过程中，激光与金属相互作用过程主要涉及光的反射、吸收、热传导及物质的传导。由于辐射到材料表面的功率密度较低，光能量仅被表层吸收，不产生非线性或小孔效应。当光穿透微米量级后，光强趋于零。材料内部加热以传导方式进行。当表面温度达到熔点，表面熔化且熔化波前向材料内部传播，其传播速度与激光功率密度、材料的液相和固相热力学参数有关。

焊接时要求金属表面在沸点附近的状况下传递能量。最大熔深反比于功率密度，正比于热传导。

团结普瑞玛生产的平板叠层焊接机，焊接对象为两层，中间有空气隙，情形比较复杂。

（1） 两层金属之间的间隙多为空气，空气的热传导率远小于金属，可用热阻α1表示，

α1＝2K 3/h

式中，K 3－空气热导率，h －空气隙距离。 热量在两层金属之间的传导表现为对流效应。

（2） 由于非理想接触，在空气隙消失前，上层下表面（我们权且称之为F 12面，而将上层

上表面称为F 11面）的温度－时间曲线，与下层上表面（我们权且称之为F 21面）的显著不同。由于激光热源的能量传导受阻，F 12面温度出现急剧上升的过程。如果参数控制不当，在焊接完成前，表面温度易超过沸点，形成材料汽化，甚至出现孔洞，因而不能实现良好连接。

（3） 形成熔融焊接所需要的最小能量随着空气隙增加而增加。当间隙小于上层材料厚度（以

T 1表示）的1/10，即h

当h ＞0.5 T1，最小能量与间隙呈指数上升关系，功率密度增高；同时，上层材料向下层材料的热量传递变缓。共同效应造成表面温度急剧上升，超过沸点，形成孔洞的几率大增。固应设法控制两层材料间的空气隙。

图 7激光叠层焊接时表面温度－时间曲线 图 8 激光叠层焊接能量－间隙曲线 （4） 上层金属的下表面熔化时，由于液态金属的流动，间隙消失，h ＝0，α1 ∞。 （5） 下层金属的上表面熔化时，认为焊接完成。

在激光焊接过程中，等离子体现象是不可忽视的影响因素。

物质除固态、液态、气态（统称为凝聚态）外，还有第四态－等离子体。

气体被加热到几千度以上的高温后，气体中原子部分或完全被电离成正离子和电子，其中自由电子和正离子所带的负、正电荷量相等，而整体又呈电中性，行为受电磁场影响，这种状态的

物质称为等离子体。等离子体服从气体遵循的规律，但还具有一系列新的独特的性质，具有高温、高流动性和高导电性。等离子体是电和热的良导体，等离子体中带电粒子的电磁作用，有时也使等离子体本身像液体一样，在强磁场的作用下，凝集成具有清晰边界的各种形状。因此，在研究等离子体的有关问题时，常把它看成能传导电流、可以流动的连续介质，也就是把它当作导电流体。这种导电流体的行为和运动，可以用磁场加以影响或控制，也称它为“磁流体”。地球电离层外的整个宇宙中，绝大部分物质以天然等离子态存在，如太阳和所有恒星、星云都是等离子体。地球上，只有闪电、极光是天然等离子体形成的自然现象。但人造等离子体却很多，如霓虹灯、电弧、白光灯、磁流体发电、受控热核反应中的工作物质都是等离子体。

当入射激光功率密度在2×104～107W/cm2之间，材料轻微汽化，熔池上方形成等离子体LSC(Laser-Supported Combusion)，可以增强材料对激光的吸收，有利于激光加工。当入射激光功率密度达到106～107W/cm2时，汽化加剧，电子密度雪崩增加，等离子体温度也急剧增加。 高温等离子体快速膨胀，以100m/s的速度沿激光入射方向逆向传播，形成LSD(Laser-Supported Detonetion) ，在此波前是一薄层的高温高压空气。当电子密度达到某个值，激光能量全部被等离子体吸收，等离子体中激发纵振动，阻断正常的激光焊接。当功率密度超过107W/cm2时，激光作业区周围的气体被击穿，等离子体强烈吸收激光能量，完全阻断了激光向工件的传播。要抑制这种现象，必须向加工区域吹送氦气（He ）。氦气的电离能较高，不易击穿。

目前，所有传统焊接的可焊材料都可以实现激光焊接，见下表：

◆＝很好 ●＝好 ○＝合格

三 激光加工典型应用

1. 切割

CO 2激光切割机可以切割几乎所有的金属材料（低碳钢、合金钢、不锈钢、铝）和许多非金属材料（木材、塑料、有机玻璃、石英玻璃、陶瓷、皮革等）。

图 9 激光刀模 图 10 金属制品 11 无缝管切割

该设备的特点是：当激光束完全圆对称时，工件在x 、y 两个方向的割缝一致

图 12 固定光路激光切割机

2. 焊接

焊接工艺通常要比切割工艺复杂一些，焊接设备一般都是专用的，如汽车变速箱齿轮焊接系统、金钢石锯片焊接系统、平板热交换器焊接系统等。

图 13 锯片 图 14 锯片焊接机

图 15 热交换器 图 16热交换器焊接机

焊接速度主要取决于激光功率、材料的成分、几何形状、保护气体种类和激光器类型。通常CO 2激光器和YAG 激光器是比较理想的光源。

图 17不锈钢波纹管

图 18传感器膜片

3. 表面处理

激光表面处理比激光切割和激光焊接更复杂。它主要是针对某些特殊的零件进行激光表面硬化、激光表面熔敷和激光表面重熔，以及合金化、非晶态等。

CO 2激光器为这些加工工艺提供纯粹的热源，对材料表面进行局部快速加热，从而使金属表面区域的金相组织、物理/化学性能发生变化，达到材料表面改性的目的。

激光表面处理具有以下特点：

1）强化效果好，可以针对不同的用途采用不同的材料来提高工件表面的硬度、耐磨性和耐高温性能。

2）变形小，激光在工件表面作用的时间短，可以有选择的进行局部处理。

图 19 内燃机缸套表面强化 图 20 凸轮轴激光表面强化

典型应用如凸轮轴激光表面强化和内燃机缸套表面强化、气门激光表面熔敷、活塞环激光表面硬化等。

第三章 激光加工设备的组成

团结普瑞玛是 “中国激光设备行业中产品最全、技术最优、规模最大的制造商”，是就“大功率激光切割机”这个领域而言。截至目前，团结普瑞玛获得“CE ”认证的激光切割机有21个型号，激光焊接机有2个型号。另有2种3D 激光切割机正在开发中。

这里以激光切割机为基准，介绍激光加工设备的组成。 ● 产生激光的激光器（激光器是最先进的人造光源）。

● 将激光束传输到工件被加工部位的导光聚焦系统（我们权且简称之为光路）及其驱动、

支承的机械结构，我们统称之为主机。

● 将激光加工过程中产生的热量带走的冷却系统，我们通常叫冷水机组或水冷机。 ● 为激光器提供激活介质气体和切割过程中所需要的辅助气体的供气系统。 ● 为激光器和主机、以及其他设备提供动力的电源。 ● 协调整个系统、实现激光加工各项功能的控制系统。

图 21 激光切割机的组成

不言而喻，激光器是激光加工设备的核心。团结普瑞玛的激光切割机系统，采用CO 2激光器。因为它有较高的收益率，可以切割几乎所有的金属材料（低碳钢、合金钢、不锈钢、铝）和多种

激光加工设备总论

非金属材料（木材、塑料、有机玻璃、石英玻璃、陶瓷、皮革等）。常用的CO 2激光器有快速轴流CO 2激光器和扩散冷却CO 2 Slab 激光器。这些激光器的光束光强空间分布为低阶模或TEM00模，M 2=1.1~2.4，并且有良好的功率稳定性。

激光切割机的主机结构多样，有龙门结构、有悬臂结构、L 形结构。龙门结构主机又分悬挂式龙门、支承式龙门、固定式龙门。如果按激光束与工件之间的运动关系分，则可分固定光路、混合光路和飞行光路三种形式。固定光路切割机，激光束恒定在某一位置，工件做平面二维运动。混合光路激光切割机，工件在某一方向运动，光束做另一个方向的运动。飞行光路切割机，工件固定，光束在两个方向运动。

CO 2激光器的电光转换效率约为20%～30%，总体效率仅约10%。其余大部分被转化成热量。如此多的热量，如果任其积聚，将导致系统起火燃烧炸裂等危险。冷水机组向激光器提供冷却水，随时将产生的热量带走。同时，光路（特指激光器外的外光路）中的镜片，也需要冷却，保持温度恒定。

CO 2激光器以CO 2、N 2、He 为工作介质，这些气体输送到激光器内。切割过程中，还要用到辅助气体，通常有氧气（O 2）、氮气（N 2）、压缩空气，这些气体输送到切割部位。光路中的光学器件（镜片）必须与环境大气隔离，以免遭受污染，实现的方法是将洁净的、干燥的压缩空气输送到光路中，形成对大气的正压力。

供给激光器的电源必须稳定，满足单相稳定度、三相不平衡度的要求。目前国内的市电并不总是能够达到上述指标，因此为保证系统的正常工作，必须安装足够容量的稳压电源。

控制系统是整个系统的指挥中心，为实现激光加工各项功能提供控制手段。

激光加工设备总论

图 22 激光切割机平面布置及管线连接

第四章 激光加工设备的场地、环境要求

为了使加工设备能够正常工作，安放设备的场所必须满足一定的要求。否则，不仅不能发挥设备的作用，还有可能导致财产损失和其他风险的发生。

一 地面及基础

1. 平整、坚固

为了设备安放牢靠，地面必须平整。设备重达数吨，地面应足够坚固，具有足够的强度，所以要求浇筑地面的水泥强度等级高于42.5，并且灌浆厚度必须不小于150。

2. 垫铁

设备落地后，需要调整高度，并固定在大地上，需要在机床底下垫上垫铁，以便调整。地面施工毕竟有误差，不可能达到“水平”的要求。为了克服地面的误差，使机床能够“平”稳地工作，采用了球面可调地铁。球面垫铁落在预先埋入地面的钢板上，旋转球面垫铁前，需要将垫铁焊接在该钢板上。

3. 防震

激光设备的光路比较“娇气”，如果激光束偏离“理想”的位置，轻则切割质量下降，重则完全不能加工，甚至导致设备事故和人身伤害。所以，除保证足够的地面强度，不使沉陷外，还应不受震动。常见的震源有冲床、锻锤等，甚至近距离的交通要道上的行驶车辆，也可成为影响光路的震源。为了隔离震源，需在激光设备的周围，开挖隔震沟。隔震沟深度1500，宽度350，将激光器和机床封闭在“孤岛”上。沟上应覆盖牢固的盖板。

4. 管线沟

如前一章“激光切割机平面布置及管线连接”所示，组成整个系统的各部分之间，需连接大量电缆和水管、气管，以及除尘烟道。为了铺设这些管道，一般应挖筑管线沟（通常简单地叫做“电缆沟”）。沟上应覆盖牢固的盖板。

5. 安全通道

在设备的周围，应流域足够的安全通道，以利于安全生产，并便于操作和维修。

二 环境条件

激光器对环境的要求较高，要保证一定的温度和湿度范围。此外，数控系统及其伺服，对环

境也有一定要求。不同的激光器对环境的要求可以相差很大。

概括起来，不外乎这么几点：

✓ 足够的供电容量，以及相适应的供电线路。

✓ 足够稳定的供电质量，包括三相电压稳定度、三相电源不平衡度。这一点可以通过稳压电

源达到。

✓ 适宜的环境温度和湿度，可以加装空调达到。

✓ 良好的通风散热条件。狭窄、密不透风的环境，对人、机均有风险。 作为一个示例，这里列举CP4000激光器所要求的环境条件如下。