激光切割在汽油机排气净化装置研制中的应用

　　图1 催化净化装置

　　球型载体的构成是由边长1mm×1mm的小方金属丝网，上、下二片包络陶瓷球体。如图2所示。上、下二片丝网问放上若干陶瓷球体再将包络球体的上、下丝网焊接，然后在焊缝外围切割，形成一个个由金属丝网包络的陶瓷小球。

　　图2 金属丝网包络的陶瓷球体

　　金属丝网包络陶瓷小球的制作用传统焊和切割，焊时难免机械撞击，损坏丝网，定位不准；切割定位难，损坏球。热影响区域大，制作效率低，质量不高。不能适应量大和精度高小球的要求。因而，研究将激光技术开发应用于小球的制作。

　　2 激光切割的应用

　　金属丝网切割是一种精密微细件的加工。结构空间小、切割精度高、质量好的一个个球体要切割光滑圆整。利用激光能精确控制能量，传热效应好以及能用光纤灵活传递H1等优势，可达到较理想、稳定的切割质量。

　　激光切割金属丝网要切口窄，并平整光滑。切口宽窄及质量与光束直径和光束模式的选取有很大关系。

　　2.1 光束直径

　　激光切割时，光斑直径要求尽可能小，它有利于激光照射功率的提高，使光束输入的热量能超过丝网材料的反射和扩散，将材料很快加热汽化、断开，得到很窄的切缝。光斑直径大小取决于聚焦透镜的焦长、焦距和发散角。一般光斑直径d与焦距f、发散角θ的关系是：

　　d=2fθ

　　可见，减小透镜焦距f和发散角θ，有利于缩小光斑直径d。但f减小，透镜与工件的间距也缩小，切割时熔渣会飞溅粘附在透镜表面，影响切割效果及透镜的寿命。

　　透镜的焦长对光斑大小也有影响，一般激光束经短焦距透镜聚焦后光斑尺寸很小，焦点处功率密度很高，对丝网切割有利，但不利之处是焦深很短，调节量小，一般适合于快速切割。

　　确定焦长后，焦点与丝网表面的相对位置对切割质量很重要。由于焦点处功率密度高，丝网细，切割焦点位置刚处在丝网表面即可。焦点所处位置恰当，割缝最小，效率也高。可获得最佳切割效果。试验用1.06μm波长的YAG激光束切割金属丝网，切口约0.15mm左右，能较大地提高切割质量和速度，成本也低。

　　2.2 光束模式

　　光束模式反应光束聚焦能力，它与切割宽度关系很大。用最低阶模光束能使光斑内能量呈高斯分布。如图3所示，它可把光束聚焦到最小尺寸，如几个微米直径，形成陡尖的高能量密度。而高阶或多模光束的能量分布较扩散，聚焦的光斑较大，能量密度较低，犹如用一把钝刀来切割。

　　图3 呈高斯分布的最低阶模

　　最低阶模意味激光沿腔轴发生，光束焦点处的功率密度比多模光束高两个数量级。试验表明，采用基模激光束进行丝网切割比采用多模激光切割质量要好。如基模激光功率500W，比多模激光功率1500w低得多，切缝也小很多，用它来切割丝网可获得很窄的切缝，切边平整，热影响区小，切割区重熔层薄，下侧粘渣轻或不粘渣，保证了较好的切割质量。

　　2.3 切割面的表面粗糙度和切割速度

　　采用低模的光束切割丝网时，切割面的表面粗糙度值低，切割速度高。在切割金属丝网时，用基模光束的切缝侧面表面粗糙度Ra要低8～10μm。为了提高效率，适应大批量生产要求，激光切割金属丝网将光束经振镜扫描进行分割，可在200mm×200mm范围内实现多束同时切割，能较大地提高切割效率。

　　3 结论

　　汽油机排气净化装置的制作，经开发研究，应用激光技术，显示了激光精密微细加工的优势。试验表明：①切缝很窄，可达0.15mm左右，没有切割残渣，成本不高；②光束经振镜扫描分割，范围宽，实现多点切割，能较大提高效率，满足大批量切割；③光束经光纤传输，更能提高切割的灵活性，容易实现柔性自动化生产。