人們(men)對光(guang)能聚焦會產生巨大能量的認識由(you)來已久，從我國(guo)古代的削冰取火，到阿基米德(de)凹鏡燒船(chuan)驅敵，無(wu)一不是利用這一特點(dian)，今天介紹(shao)的激光(guang)切割亦是如此。      

        激光切(qie)割幾乎(hu)是當前世界上最先(xian)進的(de)切(qie)割工(gong)藝，能(neng)切(qie)割大(da)多數金屬和非金屬材料，不管你身處汽車(che)行業、工(gong)程機械(xie)、家電行業等隨處都能(neng)見到它的(de)應用。它具(ju)備精密(mi)制造、柔性(xing)切(qie)割、異形(xing)加工(gong)、一次(ci)成型、速度(du)快、效率(lv)高(gao)等優點，能(neng)解決(jue)許(xu)多常規(gui)方法無(wu)法解決(jue)的(de)難題。本期小(xiao)編就(jiu)和大(da)家一起聊聊激光切(qie)割那些事。

01

激光切(qie)割原理(li)及分(fen)類(lei)

激光切割原理 

       激(ji)光(guang)(guang)切(qie)割(ge)是利用激(ji)光(guang)(guang)發生器所發出(chu)的(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)束，經透鏡聚焦后(hou)在(zai)焦點(dian)(dian)處(chu)聚成一極小的(de)(de)高能(neng)量(liang)(liang)光(guang)(guang)斑，使光(guang)(guang)斑聚焦在(zai)材料合適位置，被(bei)材料吸(xi)收激(ji)光(guang)(guang)能(neng)量(liang)(liang)，迅速汽化(hua)、熔融、燒蝕或(huo)者達(da)到(dao)燃點(dian)(dian)，并配(pei)合高壓(ya)輔助氣體（有二氧化(hua)碳氣體，氧氣，氮氣等(deng)）吹走熔化(hua)廢渣的(de)(de)過程。激(ji)光(guang)(guang)頭由程控的(de)(de)伺服電機驅動下，切(qie)割(ge)頭按照(zhao)預定路線運動隨著光(guang)(guang)束在(zai)材料上的(de)(de)移(yi)動，從而切(qie)割(ge)出(chu)各種形狀的(de)(de)工(gong)件。

激光切割的分類

-激光器分類

       光(guang)有紅橙黃綠(lv)，可以(yi)物體(ti)吸(xi)收，也(ye)(ye)可以(yi)被(bei)反射；激(ji)光(guang)也(ye)(ye)是(shi)光(guang)，根據波長不(bu)同也(ye)(ye)會體(ti)現不(bu)同的(de)(de)特性。激(ji)光(guang)發生(sheng)器的(de)(de)增益介(jie)質（就是(shi)能(neng)把電能(neng)轉化成激(ji)光(guang)的(de)(de)媒介(jie)）決定了(le)激(ji)光(guang)波長、輸出功率和應(ying)用領域(yu)。激(ji)光(guang)器的(de)(de)增益介(jie)質可以(yi)分為氣(qi)體(ti)、液體(ti)和固體(ti)。

       1. 氣(qi)體中具有代表性的是CO2氣(qi)體激光(guang)器;

        2. 固(gu)體中具有代表性的包括光纖(xian)激光器(qi)和YAG激光器(qi)、紅寶石激光器(qi)、半導體激光器(qi)等；

       3. 液體激(ji)光(guang)器是利用某(mou)些液體（通常是有機(ji)溶(rong)劑，如染料(liao)）作(zuo)為(wei)產(chan)生激(ji)光(guang)的工(gong)作(zuo)媒介，發(fa)射(she)出(chu)激(ji)光(guang)。

       不同(tong)的切(qie)割對(dui)象材料，能夠吸收(shou)的激光波長不同(tong)，需要適配合(he)適的激光發生器(qi)。目前(qian)汽車行(xing)業應用最廣泛的還(huan)是光纖激光發生器(qi)。

-激光切割方式分類

       主要分為熔化(hua)(hua)切割、氧化(hua)(hua)切割、汽(qi)化(hua)(hua)切割、導(dao)向斷裂切割等。下(xia)(xia)表(biao)為常(chang)見的切割方(fang)法(fa)分類，其中熔化(hua)(hua)切割和氧化(hua)(hua)切割尤(you)為常(chang)見，下(xia)(xia)面會著(zhu)重講一下(xia)(xia)這兩種(zhong)切割方(fang)法(fa)，對于(yu)另外兩種(zhong)切割方(fang)法(fa)，有興趣的同學可(ke)以自行(xing)研究。

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激光熔化切割

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       激(ji)光熔化(hua)(hua)切(qie)割(ge)(ge)(ge)時，用(yong)激(ji)光加(jia)熱使(shi)金(jin)屬(shu)材料熔化(hua)(hua)，然后通過與光束同(tong)軸的(de)(de)(de)(de)(de)噴嘴噴吹非(fei)氧化(hua)(hua)性氣(qi)體（Ar、He、N等），依靠氣(qi)體的(de)(de)(de)(de)(de)強大壓力使(shi)液態金(jin)屬(shu)排出，形成切(qie)口。激(ji)光熔化(hua)(hua)切(qie)割(ge)(ge)(ge)不需要使(shi)金(jin)屬(shu)完(wan)全汽(qi)化(hua)(hua)，所需能量(liang)只(zhi)有(you)汽(qi)化(hua)(hua)切(qie)割(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)1/10。1)  激(ji)光光束配上(shang)高純惰(duo)性切(qie)割(ge)(ge)(ge)氣(qi)體促使(shi)熔化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)材料離開割(ge)(ge)(ge)縫(feng)，而氣(qi)體本身不參于切(qie)割(ge)(ge)(ge)。2)  最大切(qie)割(ge)(ge)(ge)速度(du)(du)隨著(zhu)激(ji)光功率的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)而增(zeng)加(jia)，隨著(zhu)板材厚度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)和(he)材料熔化(hua)(hua)溫度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)而幾乎(hu)反比例地減小。在激(ji)光功率一定的(de)(de)(de)(de)(de)情況下，限制因素就是(shi)割(ge)(ge)(ge)縫(feng)處的(de)(de)(de)(de)(de)氣(qi)壓和(he)材料的(de)(de)(de)(de)(de)熱傳導率。

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激光氧化切割

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       激(ji)光(guang)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割原理類似于(yu)(yu)氧(yang)(yang)(yang)(yang)乙炔切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割。它(ta)是用(yong)激(ji)光(guang)作(zuo)為(wei)預熱(re)(re)熱(re)(re)源(yuan)，用(yong)氧(yang)(yang)(yang)(yang)氣(qi)等活性氣(qi)體作(zuo)為(wei)切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割氣(qi)體。噴吹出的(de)(de)(de)氣(qi)體一(yi)方面(mian)與切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割金屬作(zuo)用(yong)，發生(sheng)(sheng)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)反(fan)應(ying)，放(fang)出大量(liang)的(de)(de)(de)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)熱(re)(re)；另一(yi)方面(mian)把(ba)熔(rong)(rong)融的(de)(de)(de)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)物(wu)和熔(rong)(rong)化(hua)(hua)物(wu)從反(fan)應(ying)區吹出，在(zai)金屬中(zhong)形(xing)成切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)口。由于(yu)(yu)切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)反(fan)應(ying)產(chan)生(sheng)(sheng)了大量(liang)的(de)(de)(de)熱(re)(re)，所(suo)以激(ji)光(guang)氧(yang)(yang)(yang)(yang)氣(qi)切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割所(suo)需要的(de)(de)(de)能量(liang)只(zhi)是熔(rong)(rong)化(hua)(hua)切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割的(de)(de)(de)1/2，而切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割速度(du)遠(yuan)遠(yuan)大于(yu)(yu)激(ji)光(guang)汽化(hua)(hua)切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割和熔(rong)(rong)化(hua)(hua)切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割。氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割過程(cheng)存在(zai)兩個熱(re)(re)源(yuan)：激(ji)光(guang)束照射能和化(hua)(hua)學(xue)反(fan)應(ying)所(suo)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)熱(re)(re)能。據估計，切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割碳鋼時，氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)反(fan)應(ying)所(suo)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)熱(re)(re)能占切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割所(suo)需能量(liang)的(de)(de)(de)60%。在(zai)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割過程(cheng)中(zhong)，如果氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)燃燒(shao)的(de)(de)(de)速度(du)高于(yu)(yu)激(ji)光(guang)束移(yi)動(dong)的(de)(de)(de)速度(du)，割縫將變寬且粗(cu)糙，反(fan)之，如果移(yi)動(dong)速度(du)慢，則割縫窄而光(guang)滑。

       總結：選(xuan)擇(ze)切(qie)割(ge)方法(fa)，需考(kao)慮(lv)它們的(de)特點和(he)板(ban)件的(de)材料(liao)(liao)，有(you)時(shi)也要(yao)(yao)考(kao)慮(lv)切(qie)割(ge)的(de)形(xing)狀。激(ji)光汽化切(qie)割(ge)相對(dui)熔化需要(yao)(yao)更(geng)多的(de)熱(re)量(liang)，適(shi)用于(yu)極薄的(de)金(jin)屬(shu)材料(liao)(liao)及非(fei)金(jin)屬(shu)材料(liao)(liao)的(de)切(qie)割(ge)。激(ji)光氧(yang)化切(qie)割(ge)則借助氧(yang)氣與金(jin)屬(shu)的(de)反應熱(re)使(shi)速度更(geng)快，切(qie)縫質量(liang)相對(dui)較差(cha)，適(shi)用于(yu)厚板(ban)切(qie)割(ge)。激(ji)光熔化切(qie)割(ge)因(yin)為保(bao)護(hu)氣的(de)使(shi)用，防止熔渣(zha)飛濺(jian)，割(ge)縫平整(zheng)，切(qie)割(ge)質量(liang)好，汽車(che)鈑金(jin)行業應用最廣(guang)。另外，熔化切(qie)割(ge)和(he)氣化切(qie)割(ge)可(ke)獲得無氧(yang)化切(qie)縫，對(dui)于(yu)有(you)特殊要(yao)(yao)求的(de)切(qie)割(ge)有(you)重(zhong)要(yao)(yao)意義。

02

激光(guang)切(qie)割工藝(yi)及設備

       激(ji)光(guang)切(qie)割(ge)的工藝流程相對比較簡單，根(gen)據不同的產品提前設置(zhi)激(ji)光(guang)切(qie)割(ge)路徑及參數程序，一般先切(qie)孔，再切(qie)邊。首件調試合格后便(bian)可直(zhi)接(jie)進行切(qie)割(ge)生產。但是要想切(qie)割(ge)出質(zhi)量(liang)最好的產品也絕非(fei)易事，它(ta)與切(qie)割(ge)材料、激(ji)光(guang)模式、功率、切(qie)割(ge)速度、輔助(zhu)氣體壓力等關系密切(qie)。

激光器工作模式

       激光器一般有三種工作模式：連續模式、調制模式、脈沖模式。
       在(zai)(zai)連續模式(shi)下(xia)，激光(guang)輸出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)功(gong)率(lv)是(shi)恒定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，這使得(de)進(jin)入板料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱量比(bi)較均(jun)勻，它適(shi)合于一般情(qing)況(kuang)下(xia)較快速(su)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)切割(ge)，一方(fang)面(mian)可以(yi)提高工作效率(lv)，另一方(fang)面(mian)也(ye)是(shi)避免熱量集中導致熱影響區(qu)組(zu)織惡(e)變的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)需要(yao)。調制模式(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)激光(guang)功(gong)率(lv)是(shi)切割(ge)速(su)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)函數，它可以(yi)通過限制在(zai)(zai)各點處(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)功(gong)率(lv)使進(jin)入板料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱量保持在(zai)(zai)相當的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)低水平，從(cong)而防(fang)止切縫邊(bian)緣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)燒傷。由于它的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)控制比(bi)較復雜(za)，因此效率(lv)不是(shi)很高，只在(zai)(zai)短時(shi)段內使用。脈沖模式(shi)雖可細分為三種情(qing)況(kuang)，實質上只是(shi)強度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)差別，往(wang)往(wang)根據材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)特性和結構的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)精(jing)度來選擇。

       總結：激光器經常運行在連續輸出模式，為了得到最佳的切割質量，對于給定的材料，有必要調整進給速率，例如拐彎時的加速，減速和延時。因此，在連續輸出模式下，降低功率是不夠的，必須通過變化脈沖來調整激光功率。
保護氣體激(ji)光(guang)(guang)切割設備所(suo)用氣(qi)體包(bao)括激(ji)光(guang)(guang)器(qi)工作氣(qi)體，保護氣(qi)體，輔助氣(qi)體。

       切(qie)割(ge)不銹(xiu)鋼(gang)和一(yi)些高強度(du)鋼(gang)一(yi)般用(yong)氮(dan)(dan)氣(qi)，作(zuo)用(yong)是用(yong)來杜絕氧化反(fan)應和吹掉熔融物，對氮(dan)(dan)氣(qi)的(de)(de)純(chun)度(du)要求(qiu)較高，8mm以上的(de)(de)不銹(xiu)鋼(gang)，要求(qiu)一(yi)般達到(dao)99.999%的(de)(de)純(chun)度(du)。氧氣(qi)適(shi)合于(yu)厚(hou)板(ban)切(qie)割(ge)、高速切(qie)割(ge)和極薄板(ban)切(qie)割(ge)。空氣(qi)適(shi)合于(yu)鋁(lv)板(ban)、非金屬及鍍鋅鋼(gang)板(ban)的(de)(de)切(qie)割(ge)，在一(yi)定程度(du)上它(ta)可以減(jian)少(shao)氧化膜且節省成(cheng)(cheng)本(ben)(ben)。從成(cheng)(cheng)本(ben)(ben)來說,切(qie)割(ge)碳鋼(gang)用(yong)氧氣(qi)相對便(bian)宜,切(qie)割(ge)碳鋼(gang)的(de)(de)氮(dan)(dan)氣(qi)用(yong)量很(hen)大(da)(da)。越厚(hou)的(de)(de)不銹(xiu)鋼(gang)的(de)(de)量氮(dan)(dan)氣(qi)量和純(chun)度(du)都要求(qiu)很(hen)高成(cheng)(cheng)本(ben)(ben)很(hen)大(da)(da)。目前高純(chun)氮(dan)(dan)氣(qi)的(de)(de)切(qie)割(ge)成(cheng)(cheng)本(ben)(ben)約35-40CNY/h，高于(yu)利用(yong)氧氣(qi)的(de)(de)切(qie)割(ge)成(cheng)(cheng)本(ben)(ben)，約10-15CNY/h。

       總結：激光切(qie)(qie)割(ge)的(de)速(su)度(du)(du)最(zui)(zui)大能達到40m/min，實(shi)際加工往往只有最(zui)(zui)大速(su)度(du)(du)的(de)1/3—1/2，因(yin)為速(su)度(du)(du)越(yue)(yue)高，伺服機構的(de)動態精度(du)(du)就(jiu)越(yue)(yue)低，直(zhi)接(jie)影響切(qie)(qie)割(ge)質量。切(qie)(qie)割(ge)圓孔時，切(qie)(qie)速(su)越(yue)(yue)高，孔徑越(yue)(yue)小，加工的(de)圓度(du)(du)就(jiu)越(yue)(yue)差。只有在長直(zhi)線切(qie)(qie)割(ge)時才可以使用最(zui)(zui)大切(qie)(qie)速(su)來提(ti)高效率(lv)。在實(shi)際切(qie)(qie)割(ge)過程中，需要根據(ju)產(chan)品(pin)的(de)材料，厚度(du)(du)以及相(xiang)關的(de)技術(shu)要求，通(tong)過調整激光功率(lv)、氣壓(ya)等相(xiang)關參數達到適合產(chan)品(pin)的(de)最(zui)(zui)優切(qie)(qie)割(ge)速(su)度(du)(du)。

        激光切割設備激(ji)光(guang)切(qie)割的設備大體主要由以下(xia)幾個部(bu)分(fen)組成：床身、工作(zuo)臺、切(qie)割頭、控制系統(tong)、激(ji)光(guang)控制柜、激(ji)光(guang)器、冷(leng)卻設備、除塵裝置(zhi)、供氣系統(tong)等。 

 激光切割參(can)數設置

       根(gen)據不(bu)同的產品要求，需要不(bu)斷調試不(bu)同工況下(xia)的參數才能(neng)達到最(zui)佳工藝參數。激(ji)光(guang)切割名(ming)義上可以達到的定位精度(du)為(wei)(wei)0.08mm，重復定位精度(du)為(wei)(wei)：0.03mm，實(shi)際上能(neng)做(zuo)到的最(zui)小(xiao)公差為(wei)(wei)：孔徑(jing)±0.05mm，孔位±0.2mm。

       輸出功率選擇不同材料及不同厚度需要熔化的能量不同，所需的激光器輸出功率也不同。生產時需要平衡生產速度及質量，選擇設置合適的輸出功率及切割速度，保證切割區域能有恰當的能量，材料能被有效熔融并被即使吹走。
（激(ji)光器將電(dian)能(neng)(neng)轉(zhuan)化成激(ji)光能(neng)(neng)量的效率(lv)大約在30%~35%左(zuo)右，輸(shu)出功率(lv)1500W，輸(shu)入功率(lv)4285W~5000W左(zuo)右，真正的輸(shu)入耗電(dian)量遠大于標稱輸(shu)出功率(lv)哦。另外，能(neng)(neng)量守恒原則，其它(ta)能(neng)(neng)量則轉(zhuan)化為(wei)熱能(neng)(neng)散發，所以激(ji)光器需要(yao)配備(bei)冷水(shui)機來降溫(wen)。）

       下圖是是Rofin DC030激光器針對碳鋼(gang)和(he)不銹鋼(gang)的參(can)考參(can)數：

04

激光切割成本實例

- 激光切割生(sheng)產單元總價：500萬(wan)RMB

- 輔(fu)助氣(qi)體(ti)：氮氣(qi)，流量(liang)25L/min- 零件(jian)材料：DC05- 零件(jian)厚度：4mm- 零件(jian)總(zong)周長：2000mm- Φ8孔位：6個(ge)，平(ping)均(jun)間距150mm- 跳轉(zhuan)(zhuan)啟停時(shi)間：0.1s，跳轉(zhuan)(zhuan)速(su)度：100m/min- 固(gu)定人員：1人/班- 人工費率：35CNY/h