早在上世紀 70 年代，激光(guang)就被(bei)首次用于(yu)切(qie)割(ge)。在現(xian)代工業生產中(zhong)，激光(guang)切(qie)割(ge)更被(bei)廣(guang)泛(fan)應(ying)用于(yu)鈑金，塑(su)料、玻璃、陶(tao)瓷、半(ban)導體以及紡織品、木材(cai)和紙質(zhi)等(deng)材(cai)料加工。

       未來幾年里，激(ji)光切割在(zai)精密加(jia)(jia)工和微加(jia)(jia)工領域的應用同樣會(hui)獲得(de)實(shi)質的增長。

激光切割

       當聚焦(jiao)的(de)激光束(shu)照到工件上時(shi)，照射區域會急(ji)劇升溫(wen)以使材(cai)料熔(rong)化或者氣化。一旦激光束(shu)穿透工件，切割過程就開(kai)始了：激光束(shu)沿(yan)著輪(lun)廓線(xian)移動，同時(shi)將(jiang)材(cai)料熔(rong)化。通常會用一股噴(pen)射氣流將(jiang)熔(rong)融(rong)物從切口吹走，在切割部分和板架間留(liu)下一條窄縫(feng)，窄縫(feng)幾乎與聚焦(jiao)的(de)激光束(shu)等寬。

火焰切割

       火(huo)焰切割(ge)是(shi)切割(ge)低(di)碳(tan)鋼時采用(yong)的(de)一種標準工藝(yi)，采用(yong)氧(yang)氣(qi)作為切割(ge)氣(qi)體。氧(yang)氣(qi)加壓到高達 6 bar 后吹進切口(kou)。在那(nei)里，被加熱的(de)金屬與(yu)氧(yang)氣(qi)發生反應：開始燃燒和(he)氧(yang)化。化學反應釋放大量(liang)的(de)能量(liang)（達到激光能量(liang)的(de)五(wu)倍）輔(fu)助(zhu)激光束(shu)進行(xing)切割(ge)。

圖1 激光束熔(rong)(rong)化(hua)工件，切(qie)割氣吹(chui)走切(qie)口中的(de)熔(rong)(rong)融材料和熔(rong)(rong)渣

熔化切割

       熔化(hua)切(qie)(qie)割是(shi)切(qie)(qie)割金屬時(shi)使用(yong)的另一(yi)種標準(zhun)工藝(yi)。也(ye)可(ke)以用(yong)于切(qie)(qie)割其(qi)他(ta)可(ke)熔材料，例如(ru)陶瓷。

       采(cai)用氮氣(qi)(qi)(qi)(qi)或(huo)者(zhe)氬(ya)氣(qi)(qi)(qi)(qi)作為切割氣(qi)(qi)(qi)(qi)，氣(qi)(qi)(qi)(qi)壓 2-20 bar 的(de)氣(qi)(qi)(qi)(qi)體吹過(guo)切口。氬(ya)氣(qi)(qi)(qi)(qi)和(he)氮氣(qi)(qi)(qi)(qi)是惰性氣(qi)(qi)(qi)(qi)體，這(zhe)意味著(zhu)它們不(bu)和(he)切口中的(de)熔化金屬(shu)發生反(fan)應(ying)，僅僅將它們向底部(bu)吹走。同時，惰性氣(qi)(qi)(qi)(qi)體可以保護切割邊緣(yuan)不(bu)被空氣(qi)(qi)(qi)(qi)氧(yang)化。

壓縮空氣切割

   ;    壓(ya)縮(suo)空氣(qi)同樣可以用來切(qie)割薄板。空氣(qi)加壓(ya)到 5-6 bar 就(jiu)足以吹走切(qie)口中(zhong)的熔融金屬(shu)。由于(yu)空氣(qi)中(zhong)接近 80% 都是氮氣(qi)，因(yin)此壓(ya)縮(suo)空氣(qi)切(qie)割基本上屬(shu)于(yu)熔化切(qie)割。

等離子體輔助切割

       如果參數選擇恰當，等離子體輔助熔化切割切口中會出現等離子體云。等離子體云由電離的金屬蒸氣和電離的切割氣組成。等離子體云吸收 CO₂ 激光(guang)的(de)能量并轉化(hua)進工件(jian)，使更(geng)多的(de)能量耦合到(dao)工件(jian)，材料會(hui)更(geng)快(kuai)熔化(hua)，從而使切(qie)割速(su)度更(geng)快(kuai)。因(yin)此，這種切(qie)割過程也叫高速(su)等(deng)離(li)子(zi)體切(qie)割。

       等離子體云事實上相對于固體激光是透明的，因此等離子體輔助熔化切割只能使用 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(jia)工蒸發低熱量、高吸收的材料(liao)就(jiu)可以(yi)達到上述效(xiao)果，例如(ru)薄的塑(su)料(liao)薄膜以(yi)及木(mu)材、紙(zhi)、泡沫等不熔化的材料(liao)。

       超(chao)短脈(mo)沖激(ji)光(guang)使這項技術可以(yi)應(ying)用(yong)于(yu)其他(ta)材料(liao)。金屬中的自由(you)電子(zi)(zi)吸收激(ji)光(guang)并(bing)劇烈升溫。激(ji)光(guang)脈(mo)沖不與熔融的粒子(zi)(zi)和(he)等離(li)子(zi)(zi)體反應(ying)，材料(liao)直接升華，沒有(you)時(shi)間將能量以(yi)熱量的形式傳給周圍(wei)材料(liao)。皮秒脈(mo)沖燒(shao)蝕材料(liao)時(shi)沒有(you)明顯的熱效應(ying)，沒有(you)熔化和(he)毛刺(ci)形成。

圖3 氣化切(qie)割：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(pai)出

參數：調整加工過程

許(xu)多參數影響激光切割過程，其中一些取決于(yu)激光器和機床(chuang)的(de)技術性能，而另一些是變化(hua)的(de)。

偏振度

       偏振度表明多少百分比的激光被轉換。典(dian)型的偏振度一(yi)般在 90% 左(zuo)右。這對(dui)于高(gao)質量的切割(ge)已經足夠(gou)了。

焦點直徑

        焦點(dian)直(zhi)徑影(ying)響切口(kou)寬度，可以通過改(gai)變聚焦鏡(jing)的(de)焦距(ju)改(gai)變焦點(dian)直(zhi)徑。更小的(de)焦點(dian)直(zhi)徑意味著更窄的(de)切口(kou)。

焦點位置

       焦(jiao)點(dian)位(wei)置決(jue)定了(le)工(gong)件表面上(shang)的(de)光(guang)束直(zhi)徑和功率密度以(yi)及切口的(de)形(xing)狀。

圖4 焦(jiao)點位置：工(gong)(gong)件(jian)(jian)內部(bu)，工(gong)(gong)件(jian)(jian)表面(mian)和工(gong)(gong)件(jian)(jian)上(shang)方

激光功率

       激(ji)光功(gong)率應和(he)加工類(lei)型、材料種類(lei)和(he)厚度相匹(pi)配。功(gong)率必須足夠高以(yi)至于工件(jian)上(shang)的(de)功(gong)率密度超(chao)出加工閾值。

圖5 更高的激光功(gong)率可以(yi)切割更厚的材料

工作模式

       連續模式主(zhu)要用于切割毫米(mi)到(dao)厘米(mi)尺寸的(de)金(jin)屬和塑(su)料的(de)標準輪廓。而(er)為了熔化穿孔或者產(chan)生(sheng)精密的(de)輪廓，則采用低頻(pin)的(de)脈(mo)沖激光(guang)。

切割速度

       激(ji)光功率和切割(ge)速度必須互(hu)相匹配(pei)。太(tai)(tai)快或者太(tai)(tai)慢的(de)切割(ge)速度都會導致粗糙度的(de)增加和毛刺的(de)形成(cheng)。

圖6 切(qie)割速度(du)隨著(zhu)板材厚度(du)增加而降低

噴嘴直徑

       噴(pen)(pen)(pen)(pen)嘴(zui)的(de)直(zhi)徑(jing)(jing)決定(ding)了從噴(pen)(pen)(pen)(pen)嘴(zui)中噴(pen)(pen)(pen)(pen)出的(de)氣(qi)體(ti)流量和(he)氣(qi)流形(xing)狀(zhuang)。材料越厚，氣(qi)體(ti)噴(pen)(pen)(pen)(pen)流的(de)直(zhi)徑(jing)(jing)也要(yao)越大，相應地，噴(pen)(pen)(pen)(pen)嘴(zui)口(kou)的(de)直(zhi)徑(jing)(jing)也要(yao)增大。

氣體純度和氣壓

       氧氣(qi)和氮(dan)氣(qi)經常用作(zuo)切(qie)(qie)割(ge)氣(qi)體。氣(qi)體的純(chun)度和氣(qi)壓影響(xiang)切(qie)(qie)割(ge)效果。

       采用氧氣火焰切割時，氣體純度(du)需達到 99.95 %。鋼板越(yue)厚(hou)，采用的氣體氣壓越(yue)低。

       采(cai)用氮氣熔(rong)化切割(ge)時，氣體純度(du)需要達到 99.995 %（理(li)想情況是 99.999 %），熔(rong)化切割(ge)厚鋼板時需要更高的氣壓。

技術參數表

       在(zai)激光切(qie)割(ge)(ge)早期(qi)，使用者必須通(tong)過試運轉(zhuan)自行決定加工(gong)參數的(de)(de)設置。現在(zai)，成熟的(de)(de)加工(gong)參數被存儲在(zai)切(qie)割(ge)(ge)系統的(de)(de)控制裝置中。對(dui)(dui)于每(mei)一種材料類型和厚度，都有(you)對(dui)(dui)應(ying)的(de)(de)數據。技術(shu)參數表使得即使不熟悉這種技術(shu)的(de)(de)人(ren)也能順(shun)利操作激光切(qie)割(ge)(ge)設備。

激光切割質量評價因素

       有(you)許多判定激(ji)光切割邊緣質量(liang)的(de)標(biao)準。像毛刺(ci)形式、凹陷、紋路等標(biao)準可以用(yong)(yong)肉(rou)眼判定；垂直度(du)、粗糙(cao)度(du)和(he)(he)切口(kou)寬度(du)等則需要采用(yong)(yong)專用(yong)(yong)儀器來(lai)測量(liang)。材料沉積，腐蝕，熱(re)影響區域和(he)(he)變形也是衡(heng)量(liang)激(ji)光切割質量(liang)的(de)重要因素。

圖7 好的切(qie)割，壞(huai)的切(qie)割。評價切(qie)割邊緣質量的標(biao)準

廣闊的前景

       激光(guang)切割的持續成功，是(shi)其他大多數(shu)加工難以(yi)企(qi)及(ji)的。這種趨勢今(jin)天仍在繼續。在未來，激光(guang)切割的應用前景也將越(yue)來越(yue)廣闊。