早在上世紀 70 年(nian)代，激光(guang)就被(bei)用(yong)(yong)于切(qie)割。在現代工業生產中，激光(guang)切(qie)割更被(bei)廣泛應用(yong)(yong)于鈑金，塑料(liao)、玻璃、陶瓷、半(ban)導體以(yi)及(ji)紡織品、木(mu)材和紙質等材料(liao)加工。

未來幾年里(li)，激光切割在精密加工和(he)微加工領域的(de)(de)應用同樣會獲(huo)得(de)實質的(de)(de)增長。

激光切割

當聚焦的激光(guang)束(shu)照(zhao)到工(gong)件(jian)上時，照(zhao)射區域會(hui)急劇升溫以使材(cai)料熔化或者氣化。一旦激光(guang)束(shu)穿透工(gong)件(jian)，切(qie)割過程就(jiu)開始了：激光(guang)束(shu)沿著輪廓線移動(dong)，同時將(jiang)材(cai)料熔化。通常會(hui)用一股噴射氣流(liu)將(jiang)熔融(rong)物從切(qie)口吹走，在(zai)切(qie)割部分和板架間留下一條窄(zhai)縫，窄(zhai)縫幾乎與(yu)聚焦的激光(guang)束(shu)等寬。

火焰(yan)切割(ge)

火焰切割是切割低碳鋼(gang)時采用的一(yi)種標(biao)準(zhun)工藝，采用氧氣(qi)作為切割氣(qi)體(ti)。氧氣(qi)加壓到高達(da) 6 bar 后吹進(jin)切口。在(zai)那里，被加熱的金屬(shu)與(yu)氧氣(qi)發生(sheng)反應：開(kai)始燃燒和氧化。化學反應釋放(fang)大量的能量（達(da)到激(ji)光(guang)能量的五倍）輔助(zhu)激(ji)光(guang)束進(jin)行切割。

圖(tu)1 激光(guang)束熔(rong)化工件，切割氣吹走切口中的(de)熔(rong)融材料和熔(rong)渣

熔化切割

熔(rong)化切(qie)(qie)割(ge)是切(qie)(qie)割(ge)金屬時使用(yong)的另(ling)一種(zhong)標準(zhun)工藝。也可以用(yong)于(yu)切(qie)(qie)割(ge)其他可熔(rong)材料(liao)，例如陶(tao)瓷(ci)。

采用氮氣或(huo)者氬氣作為切割氣，氣壓(ya) 2-20 bar 的氣體吹(chui)過切口。氬氣和氮氣是惰(duo)性(xing)(xing)氣體，這(zhe)意(yi)味著(zhu)它們不和切口中的熔(rong)化(hua)金屬發生反應，僅僅將它們向(xiang)底(di)部吹(chui)走。同時，惰(duo)性(xing)(xing)氣體可(ke)以保護切割邊(bian)緣不被空氣氧化(hua)。

壓縮空氣(qi)切割(ge)

壓縮(suo)空(kong)(kong)(kong)氣同樣(yang)可(ke)以用來切(qie)割(ge)薄(bo)板(ban)。空(kong)(kong)(kong)氣加(jia)壓到 5-6 bar 就足(zu)以吹(chui)走切(qie)口中(zhong)的熔融金屬。由于空(kong)(kong)(kong)氣中(zhong)接(jie)近(jin) 80% 都是氮(dan)氣，因此壓縮(suo)空(kong)(kong)(kong)氣切(qie)割(ge)基本上屬于熔化切(qie)割(ge)。

等離子體輔助切(qie)割

如(ru)果參數選擇恰當，等離子體輔助熔化切割切口中會(hui)出現等離子體云(yun)。等離子體云(yun)由電(dian)離的(de)金屬(shu)蒸氣和電(dian)離的(de)切割氣組成。等離子體云(yun)吸(xi)收(shou) CO2 激光的(de)能量(liang)并轉化進工件，使(shi)更多的(de)能量(liang)耦(ou)合到工件，材料會(hui)更快熔化，從而使(shi)切割速度更快。因(yin)此，這(zhe)種切割過程(cheng)也叫高速等離子體切割。

等(deng)(deng)離(li)子(zi)體云事實上相(xiang)對于固體激光是(shi)透明(ming)的(de)，因此等(deng)(deng)離(li)子(zi)體輔助熔化切割只能使用 CO2 激光。

氣化切割

氣化(hua)切(qie)割將材(cai)(cai)料(liao)(liao)蒸發(fa)，盡可(ke)能減小了對周圍材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)熱效(xiao)(xiao)應影響。采(cai)用連續 CO2 激光加工(gong)蒸發(fa)低熱量、高(gao)吸收的(de)材(cai)(cai)料(liao)(liao)就可(ke)以達到上述效(xiao)(xiao)果，例如薄(bo)的(de)塑料(liao)(liao)薄(bo)膜以及木材(cai)(cai)、紙、泡沫(mo)等不(bu)熔化(hua)的(de)材(cai)(cai)料(liao)(liao)。

超短脈(mo)沖激(ji)光使(shi)這項技(ji)術可以(yi)應(ying)用于其他(ta)材料(liao)(liao)(liao)。金屬(shu)中的(de)(de)自由電子(zi)吸收激(ji)光并劇烈升溫。激(ji)光脈(mo)沖不(bu)與熔融(rong)的(de)(de)粒子(zi)和(he)等離子(zi)體反(fan)應(ying)，材料(liao)(liao)(liao)直(zhi)接(jie)升華，沒有(you)時間將能(neng)量以(yi)熱量的(de)(de)形式(shi)傳(chuan)給周圍材料(liao)(liao)(liao)。皮(pi)秒脈(mo)沖燒蝕材料(liao)(liao)(liao)時沒有(you)明顯的(de)(de)熱效應(ying)，沒有(you)熔化和(he)毛刺(ci)形成。

圖3 氣(qi)化切割：激(ji)光使(shi)材料蒸(zheng)發，燃燒。蒸(zheng)氣(qi)的壓強(qiang)使(shi)熔(rong)渣(zha)從切口(kou)排出

參(can)數(shu)：調整加工過(guo)程

許多(duo)參數影(ying)響激光(guang)(guang)切割(ge)過程，其中一些(xie)取決(jue)于激光(guang)(guang)器和機床的(de)技術性(xing)能，而另一些(xie)是(shi)變化的(de)。

偏(pian)振度(du)

偏(pian)振(zhen)(zhen)度(du)表明多少百分比的(de)激光被轉換。典型的(de)偏(pian)振(zhen)(zhen)度(du)一般在 90% 左右。這對于高質量的(de)切割已經足夠了。

焦(jiao)點直徑

焦(jiao)點直(zhi)徑(jing)影響切(qie)口寬(kuan)度(du)，可以通過改變聚焦(jiao)鏡的焦(jiao)距改變焦(jiao)點直(zhi)徑(jing)。更小的焦(jiao)點直(zhi)徑(jing)意味著更窄的切(qie)口。

焦點(dian)位(wei)置(zhi)

焦(jiao)點位置決定了工件表(biao)面上的光束直(zhi)徑和功率密度以及切口的形狀。

圖(tu)4 焦點位置：工件(jian)內部，工件(jian)表面(mian)和工件(jian)上(shang)方

激光(guang)功率(lv)

激光功率(lv)應和(he)加(jia)工類型(xing)、材料(liao)種類和(he)厚度相(xiang)匹配。功率(lv)必須足夠高以(yi)至于(yu)工件上的功率(lv)密度超(chao)出加(jia)工閾值。

圖(tu)5 更高的激光功率可以切割(ge)更厚的材料

工(gong)作模式

連續(xu)模式主要用于切(qie)割毫米到(dao)厘米尺寸的(de)金屬(shu)和塑(su)料的(de)標(biao)準輪(lun)廓。而為(wei)了熔化穿(chuan)孔或者產生精(jing)密的(de)輪(lun)廓，則采用低(di)頻的(de)脈沖激光。

切割速度

激光(guang)功率和切割速度(du)必須互相匹配(pei)。太(tai)快或(huo)者太(tai)慢的(de)切割速度(du)都會導致粗糙度(du)的(de)增加和毛刺的(de)形成。

圖6 切割(ge)速度隨著板(ban)材厚度增加而降低(di)

噴嘴直徑

噴(pen)嘴(zui)的直(zhi)徑(jing)決(jue)定了從噴(pen)嘴(zui)中(zhong)噴(pen)出的氣體流(liu)(liu)量和氣流(liu)(liu)形狀。材料(liao)越厚，氣體噴(pen)流(liu)(liu)的直(zhi)徑(jing)也要越大，相(xiang)應地，噴(pen)嘴(zui)口的直(zhi)徑(jing)也要增大。

氣體純度和氣壓

氧氣和氮氣經常用作切割氣體。氣體的純度和氣壓影(ying)響切割效果。

采用氧氣(qi)火焰切割時，氣(qi)體純(chun)度需達到 99.95 %。鋼板越厚，采用的氣(qi)體氣(qi)壓越低。

采用氮(dan)氣(qi)熔(rong)化(hua)切割(ge)時(shi)，氣(qi)體純度(du)需要(yao)達到 99.995 %（理想(xiang)情況是 99.999 %），熔(rong)化(hua)切割(ge)厚鋼板時(shi)需要(yao)更高的氣(qi)壓。

技術參數表

在激光切(qie)割早期，使(shi)(shi)用者必(bi)須(xu)通過試運(yun)轉(zhuan)自(zi)行決定加工(gong)參(can)(can)數(shu)(shu)的(de)(de)設置(zhi)。現在，成熟的(de)(de)加工(gong)參(can)(can)數(shu)(shu)被存儲在切(qie)割系統的(de)(de)控制裝置(zhi)中。對于每一種(zhong)材料類型和厚度，都(dou)有對應(ying)的(de)(de)數(shu)(shu)據(ju)。技(ji)術(shu)參(can)(can)數(shu)(shu)表使(shi)(shi)得即使(shi)(shi)不熟悉這種(zhong)技(ji)術(shu)的(de)(de)人(ren)也能順利操作激光切(qie)割設備。

激光切割質量評價因素

有許多判定(ding)激光(guang)切割(ge)邊緣質量(liang)的(de)(de)標準(zhun)。像毛刺(ci)形式、凹陷、紋路等標準(zhun)可以(yi)用肉眼判定(ding)；垂(chui)直度、粗糙(cao)度和切口寬度等則需(xu)要(yao)采(cai)用專用儀器來測(ce)量(liang)。材料沉積(ji)，腐(fu)蝕，熱影響區域和變形也是(shi)衡(heng)量(liang)激光(guang)切割(ge)質量(liang)的(de)(de)重要(yao)因(yin)素。

圖7 好的切割(ge)，壞的切割(ge)。評價切割(ge)邊緣質量(liang)的標準

廣闊的前景

激(ji)光切割(ge)的(de)持續(xu)成功，是(shi)其他大多數加(jia)工難以企及的(de)。這(zhe)種趨勢今天仍(reng)在繼(ji)續(xu)。在未來，激(ji)光切割(ge)的(de)應用(yong)前景也(ye)將越來越廣闊。

（來(lai)源：網絡，版權歸(gui)原作者）