最新的激光加工技术EM

作为新型的科学技术，激光加工在不断发展，世界级激光加工机生产厂家之间的竞争也日趋激烈。随着各类高速机型的推出，各种方便有效的新技术也陆续涌现。此类设备在中国的普及，对提升产业的升级将会发挥极大的作用。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">1 引言

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    20世纪20年代爱因斯坦提出的光受激辐射的概念预见了激光的产生，40年后的1960年美国工程师梅曼率先研制成功的第一台红宝石激光器标志着激光的正式诞生，随后，激光技术迅猛发展。继固体激光器后，气体激光器、化学激光器、染料激光器、原子激光器、离子激光器、半导体激光器、X射线激光器和光纤激光器相继问世。应用领域也扩展到诸如电子、轻工、包装、礼品、小五金工业、医疗器械、汽车、机械制造、钢铁、冶金、石油等，为传统工业的技术改造和制造业的现代化提供先进的技术装备。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    由干篇幅限制，本文只介绍CO₂气体激光加工技术在切断、焊接、电子方面的应用情况。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">2 二氧化碳(C0₂)气体激光的优点  

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 18pt; mso-char-indent-count: 2.0">由于该激光是以CO₂气体分子为介质，放电而产生的激光，因而称为二氧化碳(C0₂)气体激光。此类激光既能连续发光，又能脉冲发光，输出功率大，效率高。因而材料的切断加工几乎全部采用二氧化碳(CO₂)气体激光。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    CO₂激光切断是用聚焦透镜(半透镜)将CO₂激光束的焦点落在材料表面，使材料在瞬间熔化，同时用与激光束同轴的有一定压力的气体吹掉熔融物，从而形成切缝的切断方式，如图1所示。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    截止到2006年，CO₂激光加工技术能够切割厚度在value="25" UnitName="mm">25 mm以下的钢材，厚度在value="15" UnitName="mm">15 mm以下的铝材。三菱电机公司激光加工机的极限切割能力如图2,3,4所示。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    在切割速度方面，以value="1" UnitName="mm">1 mm厚的不锈钢板为例，在保证50μm精度的前提下，切割速度可以提高到value="20" UnitName="m">20 m/min。如果切割非金属材料，比如说lmm厚的亚克力材料，切割速度可以提高到value="85" UnitName="m">85 m/min以上。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    此切断方式和其他方法相比，明显的优点是:

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    (1)切割质量好。切口宽度窄(一般为0.1-- value=".5" UnitName="mm">0.5mm)、精度高(一般孔中心距误差0.1value=".4" UnitName="mm">-0.4 mm，轮廓尺寸误差0.1-value=".5" UnitName="mm">-0.5 mm)、切口表面粗糙度好(一般R₂为12.5--25μm)，切缝一般不需要再加工即可焊接。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    (2)切割速度快。例如采用输出功率2kW的激光机，value="8" UnitName="mm">8 mm厚的碳钢切割速度为value="1.6" UnitName="m">1.6 m/min; value="2" UnitName="mm">2 mm厚的不锈钢切割速度为value="3.5" UnitName="m">3.5 m/min，热影响区小，变形极小。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    (3)清洁、安全、无污染。大大改善了操作人员的工作环境。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    激光器、冷却器、机床、数控装置，再加上一些附属设备才能构成一台激光加工机。由此可见，生产CO₂激光加工机的厂家必须是强大的电气综合生产企业。否则只能外购关键设备，进行拼装，此类设备的售后服务存在着巨大的隐患。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    现在世界上能够生产CO₂激光器的土要厂家有日本的二菱电机公司、FNUC公司、松下公司等，德国的Rofin公司等。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    而生产CO₂激光加工机的厂家有日木三菱电机公司、天田公司、马扎克公司、日平富山公司、德国的Trumpf公司、意大利Prima公司、瑞士Bystronic公司、澳大利亚HG Laser Lab公司等。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    目前，三菱电机公司的CO₂激光加工机可实现全部关键设备自己生产，其他厂家还处于购买关键零部件、进行拼装的阶段。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">3 CO₂激光加工机的用途

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">3.1 切断方面

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    主要用于从技术经济角度衡量，认为制造模具不合算的金属饭金件，特别是轮廓形状复杂，批量不大，板厚在value="12" UnitName="mm">12 mm以下的低碳钢、value="6" UnitName="mm">6mm以下的不锈钢材料，用激光切断可以节省制造模具的成本并缩短制造周期。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    已采用的典型产品主要包括:自动电梯结构件、升降电梯面板、机床及粮食机械外罩、各种电气柜、开关柜、纺织机械零件、工程机械结构件、大电机硅钢片等，如图5，6所示。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    还有装饰、广告、服务行业用的不锈钢(一般厚度小于value="3" UnitName="mm">3 mm)或非金属材料(一般厚度小于value="20" UnitName="mm">20mm)的图案、标记、字体等。如艺术照相册的图案，公司、单位、宾馆、商场的标记车站、码头、公共场所的中英文字体。还有需要均匀切缝或微孔的特殊零件。如图7, 8, 9所示。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">3.2 焊接方面

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    和传统的焊接方式相比，激光焊接具有焊缝窄，强度高，变形小的特点。逐步在精密仪器，办公机器的制造中发挥这一优势。比如说，机器框架的焊接，激光焊接不需要传统电弧焊所必需的焊接带，这样既节省了空间，也减小了体积，如图10所示。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">3.3 微孔加工

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    这是一个特殊的领域，20世纪80年代末期出现的手提式电话，如今变得小巧玲珑，其中最关键的技术是用激光取代传统的钻头进行打孔。用钻头的方式是无法进行孔径100μm以下的孔加工的。而激光加工就能够突破这一技术难关，并且极大地提高了工作效率。现在三菱电机公司的CO₂激光微孔机能够在1s内打出2 000个以上的孔，如图11所示。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">4 激光加工机的种类

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 18pt; mso-char-indent-count: 2.0">CO₂激光加工机根据机床的结构特点，基本上可以分为飞行光路和混合光路两种。所谓飞行光路是指加工时，工作台不动，加工头进行X, Y, Z轴方向移动的工作方式(如图12所示);此类型设备一般都是双工作台，适合品种比较单一的大批量生产，缺点是价格比较昂贵。混合光路是指加工时，工作台做X轴方向的移动，加工头进行Y,Z轴方向移动的工作方式(如图13所示).此类型设备适合多品种、少批量的加工生产，特别适合试加工和来料加工的企业。由于是开发结构，所以操作方便，并且通常是单工作台工作，设备价格比较实惠。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">5 激光加工技术得到迅速发展的主要原因

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 18pt; mso-char-indent-count: 2.0">在薄板加工方面，激光有逐渐取代冲床的趋势，我们可以借鉴日本的发展历程。如图value="14" UnitName="a">14a所示，在1985年左右，日木每年能够销售900台左右的新冲床，而同年的激光加工机的销售台数仅为100台左右。但是到了2005年，激光加工机的年销售台数就飞升到950台，而冲床的年销售台数下降到500台左右。导致这一逆转的最主要原因是激光加工具有冲床无法比拟的加工品质。另外还有随着技术的进步，极大地降低了激光设备的价格和运行成本，使激光加工机不再是昂贵的高不可及的设备。同时，加工能力和速度的提高产生了巨大的利润空间。据激光加工的用户讲，基本上可以在2~3年内收回投资，如果订货多，也有1年就收回了设备投资的情况。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    图14b的是对中国市场的预测，在2005年，冲床的年销售合数是700台，激光是200台左右，类似于1985年左右的日本市场。日本经过了20年的时间，实现了激光取代冲床的演变，而我们中国的发展速度远高于日本，预计再有七八年左右的时间，在中国市场上激光就会取代冲床。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    从具体的加工品质上来看，冲床在加工小孔方面虽然能满足客户的要求，但是直线或弧线的加工就不太尽人意了，如图15所示，切断面上留下了锯齿状的突起，需要进行二次加工。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 21.75pt">而激光加工则不存在上述问题，如图16所示，不仅弧形断面不存在突起的缺陷，而且不受加工形状的限制，可以加工直径小于板厚1/4的小孔，能加工的板厚也远远超过了冲床。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 21.75pt">在厚板加工方面，激光加工的品质也是等离子切割、火焰切割、水切割等方法所不及的。传统的加工方法在工作时都伴有较大的噪声，大量的灰尘及高温等环境污染问题。而激光加工则没有以上的缺陷。在加工质量方面可以参照图17,图18的比较。等离子切割的打孔直径达value="12" UnitName="mm">12 mm,切缝宽达value="5" UnitName="mm">5 mm，并伴有大量的熔渣附着。而激光切割更厚的板材，切缝仅为i mm，并且没有熔渣附着。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    在拉件的试加工方面，激光也有较高的经济性。如图16所示的零件，传统的加工方法是用模具进行成形、开孔和剪边。不仅制作模具的周期长(几个月以上)，而且费用也惊人(数十万，甚至百万)。如果是大量的定型生产，就必须开模。而在产品更新换代日益频繁的今天，就需要大量的试加工，而试加工的件数一般不会很多，如果都开模是不经济的。如图19所示的三维激光加工机就可以进行开孔和剪边的加工，减少模具的数量，达到节约成本，提高效率的目的。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">6 激光加工技术的发展历程

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">6.1 加工精度

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    各种切割方法的精度如图20所示，横轴是切缝宽度，竖轴是切割精度。越接近左下方的区域，表示加工精度越好。虽然激光加工的精度达不到线切割、放电加工的水准，但是加工速度却是线切割、放电加工的百倍以上。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">6.2 加工速度

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    随着技术的进步，激光加工机的加工速度也在呈现日新月异的变化。图21是三菱电机的激光加工机在近20年的加工速度发展情况。横轴是加工速度，竖轴是加工精度，即在value="1" UnitName="mm">1mm厚的表面有镀层的低碳钢板上加工直径为value="10" UnitName="mm">10 mm的圆孔时，该孔的水平方向直径和竖直方向直径的差值。从图中可知，1988年时，用三菱的第8代激光加工机H2系列进行加工，要达到40μm以下的精度，加工速度只能到1 value="0" UnitName="mm">000 mm/min;到了2007年，用三菱的第28代激光加工机NX系列进行加工的话，在保持40μm以下的精度的同时，加工速度提高到了value="12000" UnitName="mm">12000mm/min;是 20年前的12倍。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">6.3 加工成本

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    最初使用激光设备时，不仅激光加工机的本体价格昂贵，而且运转成本也很惊人。如图22所示，在1989年时，加工一个右上角所示形状所消费的运转成本(加工气费十激光气费十电费)是6元左右。到了1993年减少为3.4元左右。到了现在只需要2.8元而已。20年的时间，运转成本降低了一半。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">7 最新的加工技术

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 21.75pt">如上所述，激光加工机的加工速度的提高和运转成本的降低都得益于技术的进步。而技术进步的原动力就是用户的需求。下面就具体介绍一些根据用户的要求而开发的新技术。 

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">7.1 有保护膜材料的切割

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">7.1.1 单面贴膜

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    大多饭金制品都需要经过切断1折弯等工序。而有些制品需要保持美观，表面不能有划伤或污迹。比如说装饰品、厨卫用具、招牌之类。这就需要在材料表面贴上保护膜。对于此类材料直接用激光进行时，就会出现图23的现象，从喷嘴喷出的加工气体会把保护膜吹离材料表面，导致无法加工。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">   如果采用2次切割的办法，即先用低功率的激光切开表面的保护膜，然后用大功率的激光切断下面的金属材料。虽然此方法可以保证保护膜不会被吹掉，但是存在加工时间长、烧痕过大的缺点。最近三菱机新开发的新技术(如图25所示)可以完美地解决这个间题，既能一次切割下来，乎其微。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">nth="12" Year="1899">7.1.2 双面贴膜

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    继单面贴膜材料切割技术确立后，又出现了双面贴膜的要求。如果用原有的加工技术直接切割材料背面贴有保护膜的材料，则会出现如图26所示的问题。背面附着大量坚硬毛刺，难以去掉。如果采用如图27所示的低速加工，虽然情况有所改善，但是效率又低，结果也不理想。图28所示的新技术既不用降低速度，背面也没有毛刺，用户非常满意。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">nth="12" Year="1899">7.1.3 极薄板贴膜

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    新技术解决了贴膜材料切割的问题，但同时又出现了新问题。那就是保护膜的粘结力太强，对于板厚value="1" UnitName="mm">1 mm以上的材料没有问题。但是对于板厚I mm以下的极薄板，在揭起保护膜时，往往会把板材也拉变形了。于是又开发出了极薄板贴膜切割技术。效果如图29所示，板厚value=".5" UnitName="mm">0.5 mm的不锈钢板材的保护膜很容易揭去。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">7.2 纯净打孔

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    通常对金属材料，尤其是对不锈钢材料进行打孔时，都会出现如图30所示的情况，熔融金属液飞溅在孔的周围，影响喷嘴对材料的接近，常发生喷嘴异常接触的报警.为了避免由此引起的加工不良，只好延长孔到预定加工轨迹的距离，这造成材料的浪费。采用新技术的打孔可以有如图31所示的效果，进而达到节约材料、美观的目的，切割效果如图32所示。

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">8 结束语

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt">    作为新型的科学技术，激光加工在不断发展，世界级激光加工机生产厂家之间的竞争也日趋激烈。随着各类高速机型的推出，各种方便有效的新技术也陆续涌现。此类设备在中国的普及，对提升产业的升级将会发挥极大的作用。