早(zao)在(zai)(zai)上(shang)世紀(ji) 70 年代，激光就被用(yong)于切割。在(zai)(zai)現代工業(ye)生產中，激光切割更被廣(guang)泛應(ying)用(yong)于鈑金，塑料、玻(bo)璃、陶瓷、半導體(ti)以及紡織品、木材和紙質等材料加工。

未來幾年里，激光切割在精密(mi)加(jia)工和微加(jia)工領域的應用(yong)同樣會獲得(de)實質的增(zeng)長。

激光切割

當聚焦的(de)激(ji)(ji)光束照(zhao)(zhao)到工件(jian)上時，照(zhao)(zhao)射區域會急劇升(sheng)溫(wen)以使(shi)材料(liao)熔(rong)化或者氣化。一(yi)旦激(ji)(ji)光束穿透工件(jian)，切割過程就開始了(le)：激(ji)(ji)光束沿著輪廓線移(yi)動，同時將材料(liao)熔(rong)化。通(tong)常(chang)會用一(yi)股噴射氣流將熔(rong)融(rong)物從切口吹走(zou)，在(zai)切割部(bu)分和板架間留(liu)下(xia)一(yi)條窄(zhai)(zhai)縫，窄(zhai)(zhai)縫幾(ji)乎(hu)與(yu)聚焦的(de)激(ji)(ji)光束等(deng)寬。

火焰切(qie)割(ge)

火(huo)焰切(qie)割(ge)是(shi)切(qie)割(ge)低(di)碳鋼時采(cai)用的一種標(biao)準工藝(yi)，采(cai)用氧(yang)氣(qi)作為切(qie)割(ge)氣(qi)體。氧(yang)氣(qi)加壓到高(gao)達(da) 6 bar 后(hou)吹進(jin)切(qie)口。在那里，被加熱的金屬與(yu)氧(yang)氣(qi)發(fa)生(sheng)反應：開始(shi)燃燒和氧(yang)化。化學反應釋(shi)放大量的能量（達(da)到激光能量的五倍）輔助激光束進(jin)行切(qie)割(ge)。

圖1 激光束熔化工件，切(qie)割氣吹(chui)走切(qie)口中的熔融(rong)材料和(he)熔渣

熔化(hua)切割

熔化(hua)切割是切割金屬時(shi)使用(yong)的另一種標準工藝。也可以(yi)用(yong)于切割其(qi)他(ta)可熔材料，例如陶(tao)瓷(ci)。

采用(yong)氮氣(qi)(qi)或(huo)者氬氣(qi)(qi)作為切割(ge)氣(qi)(qi)，氣(qi)(qi)壓 2-20 bar 的氣(qi)(qi)體(ti)吹過切口。氬氣(qi)(qi)和氮氣(qi)(qi)是惰(duo)性氣(qi)(qi)體(ti)，這意味著它們不(bu)和切口中的熔化金屬發(fa)生反應，僅(jin)(jin)僅(jin)(jin)將(jiang)它們向(xiang)底(di)部吹走(zou)。同時，惰(duo)性氣(qi)(qi)體(ti)可以保護切割(ge)邊緣(yuan)不(bu)被空(kong)氣(qi)(qi)氧化。

壓縮空氣切割

壓縮(suo)空氣同樣可以(yi)用(yong)來切(qie)割薄板。空氣加壓到 5-6 bar 就足以(yi)吹走切(qie)口中(zhong)的熔融金屬。由于空氣中(zhong)接近 80% 都(dou)是氮氣，因此壓縮(suo)空氣切(qie)割基本上屬于熔化(hua)切(qie)割。

等離子體輔(fu)助(zhu)切割(ge)

如果參數選擇恰當，等(deng)離(li)子(zi)體(ti)輔助熔(rong)化切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)切(qie)(qie)口中會出現等(deng)離(li)子(zi)體(ti)云(yun)。等(deng)離(li)子(zi)體(ti)云(yun)由電(dian)(dian)離(li)的(de)(de)(de)(de)金屬蒸氣(qi)和電(dian)(dian)離(li)的(de)(de)(de)(de)切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)氣(qi)組成。等(deng)離(li)子(zi)體(ti)云(yun)吸收 CO2 激光的(de)(de)(de)(de)能量并轉化進工(gong)件(jian)，使更(geng)多的(de)(de)(de)(de)能量耦(ou)合(he)到工(gong)件(jian)，材料會更(geng)快熔(rong)化，從(cong)而使切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)速度更(geng)快。因此，這(zhe)種切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)過(guo)程也叫高速等(deng)離(li)子(zi)體(ti)切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)。

等(deng)(deng)離(li)子(zi)體(ti)(ti)云事(shi)實上(shang)相(xiang)對于固體(ti)(ti)激(ji)光是(shi)透明的，因此(ci)等(deng)(deng)離(li)子(zi)體(ti)(ti)輔助熔(rong)化(hua)切割只能使用 CO2 激(ji)光。

氣化切割

氣化切(qie)割將(jiang)材料(liao)(liao)蒸(zheng)發(fa)，盡可能減小了對周圍材料(liao)(liao)的熱效(xiao)(xiao)應影響。采用連續(xu) CO2 激光加(jia)工(gong)蒸(zheng)發(fa)低熱量(liang)、高吸收的材料(liao)(liao)就可以達到上述(shu)效(xiao)(xiao)果，例如薄(bo)的塑料(liao)(liao)薄(bo)膜(mo)以及木材、紙、泡沫等不熔化的材料(liao)(liao)。

超(chao)短(duan)脈沖(chong)激光使(shi)這(zhe)項技術可(ke)以應(ying)(ying)用于其他材(cai)(cai)料。金屬中的(de)自由電子(zi)吸(xi)收激光并劇烈升(sheng)溫(wen)。激光脈沖(chong)不與熔(rong)融的(de)粒(li)子(zi)和(he)等離子(zi)體反應(ying)(ying)，材(cai)(cai)料直接升(sheng)華，沒(mei)有(you)時間將能量以熱量的(de)形式(shi)傳給周圍材(cai)(cai)料。皮秒脈沖(chong)燒蝕材(cai)(cai)料時沒(mei)有(you)明顯的(de)熱效(xiao)應(ying)(ying)，沒(mei)有(you)熔(rong)化(hua)和(he)毛刺形成。

圖3 氣化(hua)切(qie)割(ge)：激光使材料蒸發，燃燒。蒸氣的(de)壓強(qiang)使熔渣(zha)從切(qie)口排出

參(can)數：調整加工(gong)過程

許多參數影響(xiang)激(ji)光(guang)切割(ge)過程，其中一些取(qu)決于激(ji)光(guang)器和機(ji)床的(de)技術性能，而另一些是變化的(de)。

偏振度

偏振度表(biao)明多少百(bai)分比(bi)的(de)激光被(bei)轉換。典型(xing)的(de)偏振度一般在 90% 左右。這對于高質(zhi)量的(de)切割已經足夠了。

焦點直徑

焦(jiao)(jiao)點(dian)直(zhi)徑影響切口(kou)(kou)寬度，可以通過改變聚焦(jiao)(jiao)鏡的(de)焦(jiao)(jiao)距改變焦(jiao)(jiao)點(dian)直(zhi)徑。更(geng)小(xiao)的(de)焦(jiao)(jiao)點(dian)直(zhi)徑意(yi)味著更(geng)窄的(de)切口(kou)(kou)。

焦(jiao)點位置

焦點位(wei)置決(jue)定了工件(jian)表面(mian)上(shang)的光束(shu)直徑和功率密度以及切(qie)口(kou)的形狀。

圖4 焦點位置(zhi)：工件內部，工件表(biao)面和工件上方(fang)

激光功率

激(ji)光(guang)功(gong)率(lv)應和加工類型、材料種(zhong)類和厚(hou)度相匹配。功(gong)率(lv)必須(xu)足夠高以至于工件上的功(gong)率(lv)密度超(chao)出(chu)加工閾值。

圖5 更高的激光功率可以切割更厚(hou)的材(cai)料

工(gong)作模式

連續(xu)模(mo)式(shi)主要用于切割毫米到厘(li)米尺(chi)寸的金(jin)屬和塑料的標準輪廓。而為了(le)熔化穿孔或者(zhe)產生精密的輪廓，則采(cai)用低頻的脈沖激(ji)光。

切割速(su)度

激光功率(lv)和切(qie)割(ge)速(su)度必須互相匹配(pei)。太快或者太慢的(de)切(qie)割(ge)速(su)度都會導(dao)致粗糙度的(de)增(zeng)加和毛刺(ci)的(de)形(xing)成。

圖6 切(qie)割速度隨著板材厚(hou)度增加而降低(di)

噴嘴直徑

噴(pen)嘴的(de)直徑(jing)決定了從噴(pen)嘴中噴(pen)出的(de)氣體(ti)流量(liang)和氣流形(xing)狀(zhuang)。材料越厚，氣體(ti)噴(pen)流的(de)直徑(jing)也(ye)要越大，相應地，噴(pen)嘴口的(de)直徑(jing)也(ye)要增大。

氣體純度和氣壓

氧氣(qi)(qi)和氮氣(qi)(qi)經常用作切(qie)割氣(qi)(qi)體(ti)。氣(qi)(qi)體(ti)的純度和氣(qi)(qi)壓(ya)影響切(qie)割效果。

采用(yong)氧氣火焰切割時(shi)，氣體(ti)純度需達到(dao) 99.95 %。鋼板越(yue)厚，采用(yong)的(de)氣體(ti)氣壓越(yue)低。

采用氮氣熔(rong)(rong)化切割(ge)時，氣體純度需(xu)要達到 99.995 %（理想情(qing)況是 99.999 %），熔(rong)(rong)化切割(ge)厚鋼(gang)板時需(xu)要更(geng)高的氣壓。

技術參數表

在(zai)(zai)激光切割早期，使用者(zhe)必須(xu)通過試運轉(zhuan)自行(xing)決定加(jia)工參數(shu)的(de)設置。現在(zai)(zai)，成熟(shu)的(de)加(jia)工參數(shu)被存儲在(zai)(zai)切割系統的(de)控(kong)制裝置中。對于每一(yi)種材(cai)料類型(xing)和厚(hou)度，都有對應的(de)數(shu)據。技(ji)術參數(shu)表使得即使不熟(shu)悉這種技(ji)術的(de)人也能順利操作(zuo)激光切割設備。

激光切割質量評價因素

有許多判定激光切(qie)(qie)割邊緣(yuan)質(zhi)量(liang)的(de)標準。像毛(mao)刺形式(shi)、凹陷、紋(wen)路等標準可(ke)以用(yong)肉眼(yan)判定；垂直度(du)(du)、粗糙度(du)(du)和(he)切(qie)(qie)口寬度(du)(du)等則(ze)需(xu)要采用(yong)專用(yong)儀(yi)器來測量(liang)。材料沉積，腐(fu)蝕，熱影響區域和(he)變形也是(shi)衡量(liang)激光切(qie)(qie)割質(zhi)量(liang)的(de)重要因素。

圖7 好的切(qie)割(ge)(ge)，壞的切(qie)割(ge)(ge)。評價(jia)切(qie)割(ge)(ge)邊緣質量的標準

廣闊(kuo)的前(qian)景

激(ji)光切割的(de)(de)持(chi)續(xu)成功，是其他大多數加工難以企及的(de)(de)。這種趨勢今天(tian)仍在繼續(xu)。在未來，激(ji)光切割的(de)(de)應(ying)用前(qian)景也(ye)將(jiang)越(yue)來越(yue)廣(guang)闊。

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