激光切割的机理与机械工艺技术
2017-4-13 来源：黑龙江森林特水利水电工程有限公司 作者：陆桂君
摘要：激光切割具有切割质量好、效率高、速度快等特点，与其他热切割方法相比，激光切割不仅适用面广，而且能够实现无接触加工，具有广泛的市场发展空间。文章首先列举了激光切割的特点和应用优势，随后分别阐述了激光汽化切割、熔化切割、氧气切割的技术原理，最后对具体的工艺技术和切割参数进行了详细分析。
关键词：激光切割；特点分析；机械工艺
1.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。
1.1 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。
1.2 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，最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。
1.3 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。
2.激光切割的分类及其机理分析
2.1 激光汽化切割的机理分析
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。
2.2 激光熔化切割的机理分析
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。
2.3 激光氧气切割的机理分析
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。
3.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。
3.1 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。
3.2 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。
3.3 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，有最佳切割气体流量，此切割速度最决。而激光功率的增加，切割气体的最佳流量增大。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。
3.4 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：如果光束某横截面中心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。
4.结束语
激光切割是钣金加工的一次工艺革命，由于激光切割具有切割速度快、产品质量好等特点，因此在机械加工行业受到了广泛的认可。近年来，我国激光产业及其配套技术发展迅速，但是在高端激光设备核心技术方面与国外发达国家仍有差距，这就需要我们在不断提高激光切割技术的同时，加强实践应用，积累工作经验，从而实现激光切割工艺技术的不断进步。
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