Laserskärning är en avancerad tillverkningsteknik som använder laserstrålar med hög-effekt-densitet i kombination med CNC-utrustning för att utföra bearbetning av icke-material. Tekniken spårar sitt ursprung till 1965, då den första laserskärningsmaskinen användes för diamantformborrning, där Storbritannien uppnådde den första laser-assisterade syreskärningen av metaller 1967. Under 1970-talet började laserskärningstekniken tränga in i flyg- och rymdsektorn, och efter den utbredda användningen av CO₂8, ersattes den 19 av den progressiva användningen av koldioxid. konventionella plasmaskärningsprocesser.
Som en termisk skärmetod kännetecknas laserskärning av överlägsen skärkvalitet, hög effektivitet och exceptionell flexibilitet, vilket möjliggör produktion som sträcker sig från enstaka-enhetsanpassade jobb till hög-volymtillverkning.
Verksamhetsprinciper
1.1 Lasergenerering och strålegenskaper
Laser (ljusförstärkning genom stimulerad strålningsemission) producerar en mycket koherent, monokromatisk stråle genom stimulerad emission. Ett lasersystem består av tre grundläggande komponenter: ett aktivt medium (fast, flytande eller gas), en energikälla (pumpmekanism) och en optisk resonator. När det aktiva mediet är aktiverat avger det fotoner; resonatorn reflekterar dessa fotoner fram och tillbaka genom mediet, förstärker och riktar in ljusvågorna för att slutligen generera en hög-energi-laserstråle.
Laserstrålar skiljer sig från vanligt ljus i flera kritiska aspekter: hög intensitet, extremt smalt frekvensområde (monokromaticitet), skarp kollimation och hög koherens.
1.2 Fysisk skärmekanism
Laserskärningsprocessen involverar två samtidiga operationer:
Materialuppvärmning och fastransformation: En fokuserad laserstråle med hög-effekt-densitet bestrålar arbetsstyckets yta, vilket gör att det bestrålade området upplever snabb temperatureskalering, snabbt smälter, förångas, ablerar eller antänder materialet.
Smältutkastning: En hjälpgas med hög-hastighet, koaxiell med strålen, blåser det smälta materialet från snittet och uppnår materialseparering. Denna gasström skyddar samtidigt fokuseringsoptiken från förorening av ånga och stänk.
1.3 Precisions- och processparametrar
Laserskärning uppnår en dimensionsnoggrannhet på ±0,05 mm, skärbredder på 0,10–0,20 mm och ytjämnhet i storleksordningen tiotals mikron. Nyckelparametrar som påverkar skärkvaliteten inkluderar:
Laserkraft och effekttäthet: Bestäm möjlig materialtjocklek och skärhastighet
Strålens brännpunktsposition: Påverkar skärets bredd och vertikalitet
Hjälpgastyp och tryck: dikterar smältutkastningseffektiviteten
Munstycksdiameter: Vanligtvis sträcker sig från 0,8 mm till 3 mm, vald baserat på material och tjocklek
Det är värt att notera att mycket reflekterande material som koppar och aluminium uppvisar extremt låga absorptionshastigheter för specifika laservåglängder, vilket innebär betydande bearbetningsutmaningar.
Primära processklassificeringar och tekniska egenskaper
Laserskärningsprocesser är kategoriserade i fyra huvudtyper baserat på materialavlägsningsmekanismer:
2.1 Laserskärning
En laserstråle med hög-energi-densitet värmer upp arbetsstycket och når snabbt materialets kokpunkt och orsakar direkt förångning. Den höga -ångutstötningen bildar samtidigt skäret.
Power density requirement: Typically >10⁸ W/cm²
Tillämpliga material: Extremt tunna metaller och icke-metalliska material (papper, tyg, trä, plast, gummi, etc.)
Egenskaper: Högt energibehov; lämplig för tillämpningar som kräver undvikande av smälta rester
2.2 Lasersmältskärning
Laseruppvärmning smälter materialet och en icke-oxiderande hjälpgas (Ar, He, N₂, etc.) driver ut den smälta metallen genom högt tryck för att bilda skäret.
Energieffektivitet: Kräver endast 1/10 av energin från förångningsskärning
Tillämpliga material: Rostfritt stål, titan, aluminium och deras legeringar-material som är resistenta mot oxidation eller reaktiva metaller
Processfördel: Ger oxid-fria kanter med hög kantkvalitet
2.3 Laserskärning med syre (flammskärning)
Analogt med oxyacetylenskärning använder denna process lasern som en förvärmningsvärmekälla och syre som skärgasen. Syret reagerar exotermt med metallen samtidigt som det blåser ut smälta oxider.
Energieffektivitet: Kräver endast 1/2 energin från smältskärning; skärhastigheten överstiger avsevärt både förångning och smältskärning
Tillämpliga material: Kolstål, titanstål och värme-behandlade stål-metaller som är känsliga för oxidation
Processbegränsningar: bredare snitt, större-värmepåverkad zon, känslighet för hörnbränning och relativt sämre kantkvalitet
2.4 Laserritning och kontrollerad fraktur
Laserritning använder en hög-energi-laser för att skanna ytan av spröda material, förångar ett grunt spår genom termisk förångning, följt av mekanisk kraft för att spricka materialet längs spåret. Kontrollerad brott utnyttjar den branta termiska gradienten som genereras av laserspårning för att skapa lokal termisk spänning i det spröda materialet, vilket orsakar separation längs spåret.
Tillämpliga material: Keramik, halvledare och andra spröda material
Typiska lasrar: Q-omkopplade lasrar, CO₂-lasrar
Applikationsdomäner och branschvärde
Laserskärningsteknik har genomsyrat flera kritiska industrisektorer:
Fordonstillverkning: Karosseriramar, krockkuddekomponenter, inre paneler
Aerospace: Motorkomponenter, titanlegeringskanaler, skrovkroppar
Elektroniktillverkning: Precisionsmikro-komponenter, kretskort, kontakter
Medicinsk utrustning: kranskärlsstentar, kirurgiska instrument, mikrofluidiska enheter
Plåttillverkning: Har blivit den dominerande processen och ersatt konventionella metoder
Slutsats
Som en kärntillverkningsteknik fortsätter laserskärning att driva industriell omvandling genom sina kombinerade fördelar med hög precision, hög effektivitet och exceptionell flexibilitet. Från förångningsskärning till syre--assisterad skärning och från CO₂-lasrar till fiberlasrar, kontinuerlig teknisk utveckling har vidgat tillämpningsgränserna för laserskärning, vilket möjliggör effektiv bearbetning av hög-kvalitet över ett bredare utbud av material och tjocklekar.
