描述

早在上世紀 70 年代，激光就被首次用於(yu) 切割。在現代工業(ye) 生產(chan) 中，激光切割更被廣泛應用於(yu) 鈑金，塑料、玻璃、陶瓷、半導體(ti) 以及紡織品、木材和紙質等材料加工。

  未來幾年裏，激光切割在精密加工和微加工領域的應用同樣會(hui) 獲得實質的增長。

 激光切割 

當聚焦的激光束照到工件上時，照射區域會(hui) 急劇升溫以使材料熔化或者氣化。一旦激光束穿透工件，切割過程就開始了：激光束沿著輪廓線移動，同時將材料熔化。通常會(hui) 用一股噴射氣流將熔融物從(cong) 切口吹走，在切割部分和板架間留下一條窄縫，窄縫幾乎與(yu) 聚焦的激光束等寬。  

火焰切割

火焰切割是切割低碳鋼時采用的一種標準工藝，采用氧氣作為(wei) 切割氣體(ti) 。氧氣加壓到高達 6 bar 後吹進切口。在那裏，被加熱的金屬與(yu) 氧氣發生反應：開始燃燒和氧化。化學反應釋放大量的能量（達到激光能量的五倍）輔助激光束進行切割。  

圖1 激光束熔化工件，切割氣吹走切口中的熔融材料和熔渣  

 熔化切割

熔化切割是切割金屬時使用的另一種標準工藝。也可以用於(yu) 切割其他可熔材料，例如陶瓷。   采用氮氣或者氬氣作為(wei) 切割氣，氣壓 2-20 bar 的氣體(ti) 吹過切口。氬氣和氮氣是惰性氣體(ti) ，這意味著它們(men) 不和切口中的熔化金屬發生反應，僅(jin) 僅(jin) 將它們(men) 向底部吹走。同時，惰性氣體(ti) 可以保護切割邊緣不被空氣氧化。    壓縮空氣切割

壓縮空氣同樣可以用來切割薄板。空氣加壓到 5-6 bar 就足以吹走切口中的熔融金屬。由於(yu) 空氣中接近 80% 都是氮氣，因此壓縮空氣切割基本上屬於(yu) 熔化切割。    等離子體(ti) 輔助切割

如果參數選擇恰當，等離子體(ti) 輔助熔化切割切口中會(hui) 出現等離子體(ti) 雲(yun) 。等離子體(ti) 雲(yun) 由電離的金屬蒸氣和電離的切割氣組成。等離子體(ti) 雲(yun) 吸收 CO2 激光的能量並轉化進工件，使更多的能量耦合到工件，材料會(hui) 更快熔化，從(cong) 而使切割速度更快。因此，這種切割過程也叫高速等離子體(ti) 切割。   等離子體(ti) 雲(yun) 事實上相對於(yu) 固體(ti) 激光是透明的，因此等離子體(ti) 輔助熔化切割隻能使用 CO2激光。  

 氣化切割

氣化切割將材料蒸發，盡可能減小了對周圍材料的熱效應影響。采用連續 CO2 激光加工蒸發低熱量、高吸收的材料就可以達到上述效果，例如薄的塑料薄膜以及木材、紙、泡沫等不熔化的材料。

超短脈衝(chong) 激光使這項技術可以應用於(yu) 其他材料。金屬中的自由電子吸收激光並劇烈升溫。激光脈衝(chong) 不與(yu) 熔融的粒子和等離子體(ti) 反應，材料直接升華，沒有時間將能量以熱量的形式傳(chuan) 給周圍材料。皮秒脈衝(chong) 燒蝕材料時沒有明顯的熱效應，沒有熔化和毛刺形成。  

圖3 氣化切割

激光使材料蒸發，燃燒。蒸氣的壓強使熔渣從(cong) 切口排出  參數：調整加工過程  許多參數影響激光切割過程，其中一些取決(jue) 於(yu) 激光器和機床的技術性能，而另一些是變化的。  

 偏振度

偏振度表明多少百分比的激光被轉換。典型的偏振度一般在 90% 左右。這對於(yu) 高質量的切割已經足夠了。    

焦點直徑

焦點直徑影響切口寬度，可以通過改變聚焦鏡的焦距改變焦點直徑。更小的焦點直徑意味著更窄的切口。    

焦點位置

焦點位置決(jue) 定了工件表麵上的光束直徑和功率密度以及切口的形狀。

圖4 焦點位置：工件內(nei) 部，工件表麵和工件上方

激光功率

激光功率應和加工類型、材料種類和厚度相匹配。功率必須足夠高以至於(yu) 工件上的功率密度超出加工閾值。

圖5 更高的激光功率可以切割更厚的材料

工作模式

連續模式主要用於(yu) 切割毫米到厘米尺寸的金屬和塑料的標準輪廓。而為(wei) 了熔化穿孔或者產(chan) 生精密的輪廓，則采用低頻的脈衝(chong) 激光。    

 切割速度

激光功率和切割速度必須互相匹配。太快或者太慢的切割速度都會(hui) 導致粗糙度的增加和毛刺的形成。

圖6 切割速度隨著板材厚度增加而降低

噴嘴直徑

噴嘴的直徑決(jue) 定了從(cong) 噴嘴中噴出的氣體(ti) 流量和氣流形狀。材料越厚，氣體(ti) 噴流的直徑也要越大，相應地，噴嘴口的直徑也要增大。    

氣體(ti) 純度和氣壓

氧氣和氮氣經常用作切割氣體(ti) 。氣體(ti) 的純度和氣壓影響切割效果。   采用氧氣火焰切割時，氣體(ti) 純度需達到 99.95 %。鋼板越厚，采用的氣體(ti) 氣壓越低。   采用氮氣熔化切割時，氣體(ti) 純度需要達到 99.995 %（理想情況是 99.999 %），熔化切割厚鋼板時需要更高的氣壓。    

技術參數表

在激光切割早期，使用者必須通過試運轉自行決(jue) 定加工參數的設置。現在，成熟的加工參數被存儲(chu) 在切割係統的控製裝置中。對於(yu) 每一種材料類型和厚度，都有對應的數據。技術參數表使得即使不熟悉這種技術的人也能順利操作激光切割設備。  激光切割質量評價(jia) 因素  有許多判定激光切割邊緣質量的標準。像毛刺形式、凹陷、紋路等標準可以用肉眼判定；垂直度、粗糙度和切口寬度等則需要采用專(zhuan) 用儀(yi) 器來測量。材料沉積，腐蝕，熱影響區域和變形也是衡量激光切割質量的重要因素。  

圖7 好的切割，壞的切割

評價(jia) 切割邊緣質量的標準  廣闊的前景  激光切割的持續成功，是其他大多數加工難以企及的。這種趨勢今天仍在繼續。在未來，激光切割的應用前景也將越來越廣闊。