激光切割技术

　　激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。

激光切割技术的现状

　　近年来，激光切割技术在各个领域发展迅速，从2011年ZG国际工业博览会之金属加工与数控机床展览会上看出，激光加工机床在金属和非金属加工中占据了相当大的比重。其中在汽车工业中的应用Z具有代表性，从汽车顶棚的激光焊接、挡风板的激光切割、底板的激光拼焊以及车身覆盖件三维轮廓的激光切割等。

　　激光切割加工中没有“刀具”的磨损，工件不受切割力的影响。相对传统方法，激光切割的切割效率可以提高8～20倍，更能够节省15%～30%的材料。

　　欧洲、美国、和日本等工业较发达国家的激光加工机和工业激光器的生产和销售也在逐年递增，应用的领域越来越广泛。在用于激光加工领域的工业激光器中有超过40%的激光器是用来作切割的。相比而言，日本在激光加工工艺等方面的研究更是走在世界的前列，在车门制造过程中使钢板切割、焊接和压模成形一体化，而且取得了很大的进展。

　　在激光切割工艺研究方面，主要集中对激光输出功率、焦点位置、激光模式以及喷嘴形状等问题的研究。早在20世纪70～80年代，美国、日本以及德国等国家已经在大量切割工艺试验的基础上，建立激光切割工艺数据库，在90年代初期国外就相应推出了一些高性能的激光切割系统。

激光切割的特点

　　激光切割是利用大功率、高密度的激光束照射被切割材料，从而以瞬时高温使材料汽化，并蒸发形成孔洞，随着激光光束的位移，孔洞由点成线，形成连续的切缝，从而达到切割材料的效果。近年来，随着电子信息工程和计算机技术的不断成熟和应用，激光切割也实现了数字化控制，切割精度也有了很大提升，推动了机械加工和切割工艺的发展。

　　所有集中热能是材料熔化或分离的方法，都被统称为热切割。激光切割与其他热切割方法(火焰切割、电弧切割)相比，其主要特点表现在以下几个方面。

　　1、激光切割质量更好

　　激光光束能够根据切割精度要求的不同进行适当调节，在机械加工领域，激光光斑直径的精度可达0.1mm。利用这种光径切割机械零件，不仅切割口表面光滑，不会出现明显的毛刺，满足大多数情况下的机械零件使用需求，而且切缝立面相互平行，被加工机械零件的几何形状良好。对于一般性的机械零件来说，利用激光切割不需要进行额外的尺寸校对和打磨处理，可以直接进行使用。

　　2、激光切割效率更高

　　技术融合成为现代机械行业发展的主流趋势。将激光切割与信息技术、数控技术相结合，不仅提高了激光切割进度，而且明显改善了切割效率。目前来说，利用数控工作台控制激光切割机，通过程序指令的控制，可以切割不同形状的机械零件，极大的提升了切割效率。

　　例如，现有一台1500W的激光机，切割厚度为3mm的低碳钢板，Z高切割速度能够达到6×10³mm/min，如果是切割树脂材料，切割速度还能够提升到1×10⁴mm/min以上。

　　3、激光切割材料种类多

　　激光切割不仅能够加工常见的金属材料和非金属材料，而且还可以用来加工皮革制品、木材纤维等。当然，对于不同的材料制品，激光切割的适应性也会有所差异，在切割加工时应当合理选择。

激光切割的分类及其机理

　　1、激光汽化切割的机理

　　无论是金属材料还是非金属材料，都具有固定的沸点，例如铁的沸点是2750摄氏度，金的沸点是2966摄氏度等。当外界温度达到这些材料的沸点后，材料就会开始汽化，形成蒸汽。

　　激光汽化切割的机理就是利用高能量的激光束作为热源，使机械材料在瞬间达到沸点并汽化。由于温度极高，因此会在短时间内产生高速喷出的蒸汽，并在材料上留下整齐的切口。激光汽化切割需要激光器具有很大的功率，因此这种切割方法通常用于切割厚度较小的金属薄板，或是一些沸点较低的非金属材料，例如木材、塑料等。

　　2、激光熔化切割的机理

　　激光熔化切割也是首先利用激光瞬时高温使材料熔化。与汽化切割不同的是，在材料熔化后，需要用光束同轴的喷嘴向激光照射点吹出非氧化性气体，依靠喷嘴强大的压力，使熔化的材料不断排出，进而形成切口。

　　在非氧化性气体的作用下，熔化切割不需要将机械材料完全汽化，因此所需要的加工能力也就相对较少，通常情况下只有汽化切割的10%-15%。常用的非氧化性气体有氦气、氩气，熔化切割的主要材料以活泼型技术材料为主，例如铝、钢、钛合金等。

　　3、激光氧气切割的机理

　　从作用效果上看，激光氧气切割与氧乙炔切割类似，两者都是利用预热热源，将氧气、氢气等活性气体作为切割气体，而激光氧气切割的预热热源是激光。

　　激光氧气切割与上述两种切割方式的不同之处在于，它直接利用活性气体切割金属材料：喷出的气体一方面能够在激光高温的作用下，与金属发生氧化反应，并且在这一化学反应中生产大量的氧化热;另一方面，高速喷出的气体还能将熔化的金属和氧化物吹出，形成切口。由于活性气体在氧化反应中放出了大量的热量，在一定程度上发挥了熔化金属材料的作用，因此切割所耗损的能量较低。

激光切割的工艺参数

　　衡量激光切割工艺和机械加工质量的参数主要包括激光功率切口宽度、切割速度等，除此之外像光束质量、离焦量等，也会在一定程度上影响激光切割的整体质量。

　　1、激光功率

　　决定激光功率的主要因素的激光器，激光功率越大，则切割速度越快，切割效果越好。除了受自身硬件条件的制约外，激光功率还受到外界因素的影响，包括切割材料的性质、材料的导热性能等。

　　例如切割材料表面光滑，光反射率高，那么激光的利用效率就高，切割效果更好;切割材料如果为良性热导体，切割点的热量能够迅速传播到机械材料的其他部位，则容易产生“热区效应”，容易出现材料变形或切口粗糙等问题。

　　2、切割速度

　　影响激光切割速度的因素多种多样，例如采用不同的切割工艺切割不同的机械材料以及切割气体压力的大小等。通常来说，激光能量越高、材料厚度越小、切割气体压力越大，切割速度就快，反之同理。

　　需要注意的是，我们在进行机械加工时，不应当一味追求激光切割速度，还应当兼顾激光切割质量。尤其是一些精密度要求极高的机械零件，必须要求激光切割的精度达到一定水平，以保证机械加工零件的可用性。

　　3、气体压力

　　激光切割喷吹的气体有以下作用：一是用来熔化切割金属材料并依靠喷吹气体的压力将液态金属吹走，形成切口;二是用于氧助熔化切割，气体与切割金属反应放热，可提供部分切割能量。但是，气体对材料又具有冷却作用，能从切割区带走部分能量。因此气体对切割质量有重要影响。不同的喷嘴，使用的气体流量也不同。

　　在功率和切割材料板厚一定时，有Z佳切割气体流量，此切割速度Z决。而激光功率的增加，切割气体的Z佳流量增大。无论采取何种激光切割方式，都需要对气体压力进行科学控制，既要保证气体能够吹出熔化金属和氧化物，又要防止切口不整齐，影响激光切割质量。

　　4、光束质量、透镜焦距和离焦量

　　激光器输出光束的模式为基横模时对激光切割非常有利。通过聚焦后获得较小的光斑和较高的功率密度。研究表明，非氧助切割时切口宽度与激光光斑直径基本相等。光斑的大小与聚焦透镜的焦距成正比。短焦距的透镜尽管能得到较小的光斑，而焦深较小。

　　激光加工技术中采用的焦深定义为：如果光束某横截面ZX的功率密度为焦点处的50%，此点与焦点的距离即是焦深。焦深越小，能切割的板厚越薄，工件表面到透镜的距离要求就严格。切割厚板，要选用焦距较大的聚焦透镜。离焦量对切割速度和切割深度有较大的影响，切割时要保持不变，通常离焦量要选用负值，焦点位置处在切割板面下面的某点。

激光切割技术的应用

　　1、高速、高精度激光切割机

　　由于大功率激光器光束模式的改善及64位微机的应用，为激光切割设备的高速、高精度创造了有利条件。目前国际先进水平的激光切割机的切割速度已达到20m/min以上，两轴快速运动可达250m/min，加速度Z大为109，定位精度达0.01mm/500mm。

　　采用高速、高精度的激光切割机，在切割板厚1mm，直径10mm的小圆时，每分钟能切割500多个，而其直径误差不大于50mm，实现了真正意义上的飞行切割技术。

　　2、厚板切割和大尺寸工件切割的大型激光切割机

　　随着可用于激光切割激光器功率的增大，激光切割正从轻工业薄板的钣金加工向着重工业厚板切割方向发展。

　　6kW大功率激光器，能切割低碳钢板Z大厚度达32mm的大尺寸工件。由于厚板激光切割技术的不断改进，目前已经尝试使用3kW的激光器切割通常需要用6kW激光器才能切割的32mm厚的低碳钢板，并已用于试生产。此外，激光切割机的加工尺寸范围也在不断扩大，目前生产Z大激光切割机的机宽可达5.4m，长达6m。这都说明了厚板、大尺寸激光切割技术正在逐渐提高。

　　3、三维立体多轴数控激光切割机

　　为了满足汽车、航空等工业的立体工件切割的需要，目前已发展了各种各样的5轴或6轴三维激光切割机，其Z大加工工件尺寸可达3500mm×1200mm，数控轴数达到9轴，加工速度快，精度高，在6.2m范围内加工误差仅在0.1mm之内。

　　在先进国家的汽车生产线上，YAG激光切割机器人的应用愈来愈多。目前，三维激光切割机正向GX率、高精度、多功能和高适应性方向发展，其应用范围将会愈来愈大。

激光切割技术的发展方向

　　1、高速、高精度激光切割机及切割工艺

　　我国的激光切割机生产，经过近20年的发展已取得了很大成就。但与国外先进产品相比，还有较大差距，主要表现在切割机的运行速度低，动态精度差，配套功能不够，切割工艺参数不完善和切割断面质量不易保证等。

　　为了进一步提高产品质量和生产率，必须生产出新型的高速、高精度的激光切割机，以满足国内日益增长的生产需要，数控激光割机应具备专用切割工艺参数，配有激光专用自动编程系统及自动排料、套料系统，减少编程时间，提高板材利用率。激光切割机如安装交换工作台，则可以大大提高生产率，充分利用激光能源，降低生产成本。

　　2、厚板激光切割技术的应用范围想着重工业的方向发展

　　由于大功率CO₂激光器光束模式的改进和激光切割技术进步，使厚板激光切割技术的应用逐渐增加，同时由于切割工艺采用CNC控制激光切割精度高，因此，用激光切割代替等离子、氧乙炔为主的中厚板切割的趋势正迅速增长，激光切割正从轻工业的钣金加工业向建筑机械、桥梁、造船等重工业方向发展。

　　3、三维高精度大型激光切割机及其应用领域

　　工艺技术三维激光切割机主要应用于汽车制造、航空、建筑及难以加工的大型立体钣金件。

　　其主要特点是：床身刚性好、加工范围大;龙门式结构能实现高速、高精度的切割;三维激光切割头不仅能沿X、Y、Z轴作直线运动，且能进行C轴旋转.数控系统采用5轴或6轴联动系统，具有空间立体编程简单、操作方便和可靠性高的特点。

　　目前国内企业对三维激光切割机已经有需求，随着市场和经济的快速发展，在汽车、航空、机车及工程机械等行业对三维激光切割机的需求将会不断增大，因此，开发出性能好、工作可靠、使用方便的三维激光切割机，将使我国激光切割机的水平大大提高一步。

　　4、激光切割技术在农机制造中的应用

　　农业机械种类繁多，更新换代迅速，新产品研制周期长，而且多数种类的产品都属于小批量生产，农机产品的钣金加工件一般采用4～6mm钢板，板金件种类多，并且更新快，传统的农机产品板金加工件通常采用冲床方式，模具消耗大，通常一个大型的农机生产厂家用于模具存放的库房就近300m²。

　　由此可见，农机部件的加工如果仍然停留在传统的方式，将严重制约产品的快速更新换代与技术开发，而激光切割技术的柔性加工优势就体现出来了。