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激光切割的機理與機械工藝（yì）技術（shù）

2017-4-13 來源：黑龍江森（sēn）林特水利水電工程有限公司作者：陸桂君

摘要：激光切割具有切割質（zhì）量好、效率高、速度快等特（tè）點，與其他熱切割方法（fǎ）相（xiàng）比，激光切割不僅適用（yòng）麵廣，而且能夠實現無接觸加工，具有廣（guǎng）泛的市場發展空（kōng）間。文章首先列舉了（le）激光切割的特點和應用優勢，隨後分別闡述了激（jī）光汽化（huà）切割（gē）、熔化切割、氧氣（qì）切割的技術原理，最（zuì）後對（duì）具體的工藝技術和切割參數進行了詳細分析。

關鍵詞：激光切割；特點分析；機械（xiè）工藝

1.激（jī）光切割的特點

激光切割是利用大功（gōng）率、高密度的激光束照射被切割材料，從而以瞬時高（gāo）溫使材料汽化，並蒸發形成孔洞，隨（suí）著激光光束（shù）的位移，孔洞由點成線，形成連續（xù）的切縫，從而達到切割材料的效果。近年來，隨著電子信息工程和計算機技（jì）術的不斷成熟和應用，激光切割也（yě）實現了（le）數字化控製，切割精（jīng）度（dù）也有了很大提升，推動了機械加工和切割工藝的（de）發展。所（suǒ）有集中熱（rè）能是材料熔化或（huò）分離的方法，都（dōu）被統稱為熱切割（gē）。激光切割與其他熱切割方法（火焰切割、電弧切割）相比，其主要特點表現（xiàn）在以下幾個方麵。

1.1 激光切割質量更好

激光光束能夠根據切割精度要求的不同進行適當調節，在機械加工領域，激光（guāng）光斑直徑的精度可（kě）達 0.1mm。利用這種光徑切割機械零件，不僅切割口表（biǎo）麵光滑，不會出現（xiàn）明（míng）顯的毛刺，滿足大多數情況下的（de）機械零件使用需求，而且切縫立麵相互平行，被（bèi）加工機械零件的幾何（hé）形狀良好。對（duì）於一般性的機械零件來說，利用激光切割不需要進行額外的尺寸校對和打磨處理（lǐ），可以直（zhí）接進行使（shǐ）用。

1.2 激光切（qiē）割效率更（gèng）高

技術融合成為現代機械行業（yè）發展的主流趨勢（shì）。將激光切割與信息技術、數控技術相結（jié）合，不僅提高了（le）激光切割（gē）進度，而且明顯改善了切割效率。目前（qián）來（lái）說，利用數控工作台控製（zhì）激光切割機（jī），通過（guò）程（chéng）序指令（lìng）的控製，可以切割不（bú）同形狀的機械零件，極大的（de）提升了切割效率。例（lì）如，現有一台 1500W 的激光機，切割厚度為 3mm 的低碳鋼板，最高切割速度能（néng）夠達到 6×103mm/min，如果是切割樹（shù）脂材料，切割速度還能夠（gòu）提升到 1×104mm/min 以上。

1.3 激光切（qiē）割材料種類多（duō）

激光切割不僅能夠加工常見的金屬材料和非金（jīn）屬材料，而且還可以用來加（jiā）工皮革製品、木（mù）材纖維等。當然，對於（yú）不同的材料製品，激光切割的適應性也會有所（suǒ）差異，在切割加工時應當合理選擇。

2.激光切割的分類及（jí）其機理分析

2.1 激光汽化切（qiē）割的機理分析

無論是金屬材料還是非（fēi）金（jīn）屬材料，都（dōu）具有固定的沸點，例如鐵的沸點是 2750 攝氏度，金的沸（fèi）點是 2966 攝氏度等。當外界溫度達到這（zhè）些（xiē）材料的沸點後（hòu），材料就會開始汽化（huà），形成蒸汽。激光（guāng）汽化切割的機理（lǐ）就是利用高能量的激光束作為（wéi）熱源，使機械材料（liào）在瞬間達到沸點並汽化。由於溫度極高，因此會在短時間內產生高速噴出的蒸汽，並在材料上留下整齊的切口。激光汽（qì）化切割需要激光器具有很大的功率，因（yīn）此這種切割方法通常用於切割厚度（dù）較小的金屬薄板，或是一些沸點較低的非金屬（shǔ）材料，例如木材（cái）、塑料等。

2.2 激光熔化切割的機理（lǐ）分析

激光熔化切割也是首先利用激光瞬時高溫使材料熔化。與汽化切割不（bú）同的是（shì），在材料熔化後，需要用光束同軸的噴嘴（zuǐ）向激光照射（shè）點吹出非氧化性氣體，依靠噴嘴強大的壓力（lì），使熔化的材料（liào）不斷排出，進而形成切（qiē）口。在（zài）非氧化性氣體（tǐ）的作（zuò）用下，熔化切割不（bú）需要將機（jī）械材（cái）料完全汽化，因此所需要（yào）的加工能力也就相對較少，通常情況下（xià）隻有汽（qì）化切割的 10%-15%。常用的非氧化性氣體有氦氣（qì）、氬氣，熔化切割的（de）主要材料以活潑型技術材料為主，例如鋁、鋼、鈦合（hé）金等。

2.3 激光氧氣切割的機理分析

從作用（yòng）效果上（shàng）看（kàn），激光氧氣切割與氧乙炔切（qiē）割類似，兩者都是利用預熱熱（rè）源（yuán），將氧氣（qì）、氫氣等（děng）活性氣體作為切割氣體，而激（jī）光氧氣切割的預熱熱源是（shì）激光。激光氧氣切割與上述兩種切（qiē）割方式的不同之處在於，它直接利用活性氣體切割金屬材料：噴出的氣體（tǐ）一方麵能夠在激光高溫的作用下（xià），與金（jīn）屬發生氧化反應，並且在這一（yī）化（huà）學反應中（zhōng）生產大量的氧化熱；另一方麵，高速噴出的氣體還能（néng）將熔化的金屬和氧化物吹出，形（xíng）成切口（kǒu）。由於活性氣體在氧化反應中放出了大量的熱量，在一定程度上發揮了熔化金屬（shǔ）材料的作用，因此切割所耗損的能量較低。

3.激（jī）光切（qiē）割的（de）工藝參數（shù）

衡量激光（guāng）切割工藝和機械加工質量的參數主要包括激光功率、切口寬度、切割速（sù）度等，除此（cǐ）之外像光束質量、離焦量等，也會在一定程度上影響激光切割的整體質量。

3.1 激光功率

決定激光功率的主要因素的激光器，激光功率越大，則切割速度越快，切割效果越好。除了受自身硬件（jiàn）條件的製約外，激光功率還（hái）受到外界因素的影響，包（bāo）括切割材料的性質、材料（liào）的導熱性能等。例如，切割材料表麵光滑，光反射率高，那麽激光的利用效（xiào）率就（jiù）高，切割效果更好；切割材料如果為（wéi）良性熱導體，切割點的熱量能夠迅速傳播（bō）到機械材（cái）料的其他（tā）部位，則容易產生“熱（rè）區效應（yīng）”，容易出現材料變形或切口粗糙等問題（tí）。

3.2 切割速度

影響激光切割速度的因素（sù）多種（zhǒng）多（duō）樣，例如采用不同的切割（gē）工藝、切割不（bú）同的（de）機械材料以及切割氣體壓力的大小（xiǎo）等。通常來說，激光（guāng）能量越高、材料（liào）厚度越小、切割（gē）氣體壓（yā）力越大，切割速度就快，反之（zhī）同理。需要注意的是，我們在進行機械加工時，不應當一（yī）味追求激光切（qiē）割（gē）速度（dù），還應當兼顧激光切割質量。尤其是一些精密度要求極高（gāo）的機械（xiè）零件，必須要求激光切割的精度（dù）達到一定水（shuǐ）平，以保證（zhèng）機械加工零件的（de）可用性。

3.3 氣體壓力

激光切割噴吹（chuī）的氣體有以下作（zuò）用：一是用來熔化切割金屬材料，並依靠噴吹氣體的壓力將液態金屬吹（chuī）走，形成切口；二（èr）是用於氧助熔化切割，氣體與（yǔ）切割金屬反應放熱（rè），可提供部分切割能量（liàng）。但是，氣體對材料又具有冷卻作用，能從切割區帶走部分能量。因此氣體對切割質量有重（chóng）要影響。不同（tóng）的噴（pēn）嘴，使用的氣體流量也不同。在功率和切割材料板厚一定時（shí），有最佳切（qiē）割氣（qì）體流量（liàng），此切割速度最決。而激光功率的增加，切割（gē）氣體的最佳流量增大。無論采取（qǔ）何種激光切割方式，都需要對氣（qì）體壓力進行科學控（kòng）製，既要保（bǎo）證氣體能夠（gòu）吹（chuī）出熔化金屬和氧（yǎng）化物，又要防止（zhǐ）切口不整齊，影響激光切割質量。

3.4 光束質量、透鏡焦距和離焦量

激光器輸出光（guāng）束的模式為基橫模時對激光切割非常有利（lì）。通過聚焦後獲得較小的光斑（bān）和較高（gāo）的功率密度。研究表明，非氧（yǎng）助切割時切口寬度與激光光斑直（zhí）徑基（jī）本相等。光斑（bān）的大小與（yǔ）聚焦透鏡的焦距成正比。短焦距的透鏡盡管能（néng）得到較小的光（guāng）斑，而焦深較小。激光加工技術中采（cǎi）用的焦（jiāo）深定（dìng）義為：如果光束某橫截麵中心的功率密度為焦點處的 50%，此點與焦點的距離（lí）即是焦深（shēn）。焦深越小，能切割的板（bǎn）厚越薄，工件表麵到透（tòu）鏡的距離要求（qiú）就嚴格。切（qiē）割厚板，要選用焦（jiāo）距較大的聚焦透（tòu）鏡。離焦量對（duì）切割速度和切割深（shēn）度有較大的影響，切割時要保持（chí）不變，通（tōng）常（cháng）離焦量（liàng）要選用（yòng）負值，焦點位置處在切（qiē）割板（bǎn）麵下麵的（de）某點。

4.結束語

激光（guāng）切割是鈑金加工的一次工藝革命，由於激光切（qiē）割具有切割速度快、產品（pǐn）質量好等特點，因（yīn）此（cǐ）在機械加工行業受到了廣泛的認可。近年來，我國激光產業及其配套技術發展迅速，但（dàn）是在高端激光設備核心技術方麵與國外發達國（guó）家仍有差距，這就需要我們在不斷提高激光切割技（jì）術的同時（shí），加強實踐應用，積累工作經驗，從而（ér）實現激光切割工藝技術的不斷進步。

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