早在(zai)(zai)上(shang)世紀 70 年代，激(ji)光就(jiu)被(bei)首次(ci)用(yong)(yong)于切割(ge)。在(zai)(zai)現代工業生產中(zhong)，激(ji)光切割(ge)更被(bei)廣泛應(ying)用(yong)(yong)于鈑金，塑料、玻璃、陶瓷(ci)、半導體以及紡織品、木材(cai)和紙質等材(cai)料加工。未來幾年里，激(ji)光切割(ge)在(zai)(zai)精密(mi)加工和微加工領域的應(ying)用(yong)(yong)同(tong)樣會獲(huo)得(de)實質的增長。

激光切割

       當聚焦的(de)激(ji)光(guang)束(shu)照(zhao)到工件(jian)上時(shi)，照(zhao)射區域會(hui)急(ji)劇升溫以使材(cai)料熔(rong)(rong)化或者氣化。一(yi)旦(dan)激(ji)光(guang)束(shu)穿透(tou)工件(jian)，切(qie)割過程(cheng)就(jiu)開始了：激(ji)光(guang)束(shu)沿著輪廓線(xian)移動，同(tong)時(shi)將(jiang)材(cai)料熔(rong)(rong)化。通常會(hui)用一(yi)股噴(pen)射氣流將(jiang)熔(rong)(rong)融物(wu)從切(qie)口吹走，在切(qie)割部(bu)分和板架(jia)間留(liu)下一(yi)條(tiao)窄縫，窄縫幾(ji)乎與聚焦的(de)激(ji)光(guang)束(shu)等寬(kuan)。

火焰切割

       火焰切(qie)割是(shi)切(qie)割低碳鋼(gang)時(shi)采(cai)用(yong)的一(yi)種標準工藝，采(cai)用(yong)氧氣(qi)作為切(qie)割氣(qi)體(ti)。氧氣(qi)加壓到(dao)高達 6 bar 后吹進切(qie)口(kou)。在那里，被(bei)加熱的金屬與氧氣(qi)發生反應：開始(shi)燃燒(shao)和氧化(hua)。化(hua)學(xue)反應釋放大量(liang)的能量(liang)（達到(dao)激(ji)光能量(liang)的五倍）輔助激(ji)光束進行切(qie)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(qie)(qie)割是切(qie)(qie)割金屬時使(shi)用的另一種標準工(gong)藝。也可以用于切(qie)(qie)割其(qi)他可熔材料，例如陶(tao)瓷。

       采用氮氣(qi)(qi)(qi)或者(zhe)氬氣(qi)(qi)(qi)作為切(qie)割(ge)氣(qi)(qi)(qi)，氣(qi)(qi)(qi)壓(ya) 2-20 bar 的氣(qi)(qi)(qi)體(ti)吹過切(qie)口(kou)。氬氣(qi)(qi)(qi)和氮氣(qi)(qi)(qi)是惰(duo)性氣(qi)(qi)(qi)體(ti)，這意味著它們(men)不(bu)和切(qie)口(kou)中的熔化金屬(shu)發生反應，僅(jin)僅(jin)將它們(men)向底(di)部吹走(zou)。同(tong)時，惰(duo)性氣(qi)(qi)(qi)體(ti)可以保護(hu)切(qie)割(ge)邊緣不(bu)被空氣(qi)(qi)(qi)氧化。

壓縮空氣切割

        壓(ya)縮空(kong)氣(qi)(qi)同樣可以(yi)用來切割(ge)薄板(ban)。空(kong)氣(qi)(qi)加壓(ya)到 5-6 bar 就足以(yi)吹走切口(kou)中的熔(rong)融金(jin)屬。由于空(kong)氣(qi)(qi)中接近 80% 都是氮氣(qi)(qi)，因此壓(ya)縮空(kong)氣(qi)(qi)切割(ge)基本上屬于熔(rong)化切割(ge)。

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(ji)光的(de)能量并轉(zhuan)化進工(gong)件(jian)，使(shi)更(geng)多的(de)能量耦合到工(gong)件(jian)，材料會(hui)更(geng)快(kuai)熔化，從而(er)使(shi)切(qie)(qie)割速度(du)更(geng)快(kuai)。因此，這種(zhong)切(qie)(qie)割過(guo)程也叫高速等離子體切(qie)(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 激光加工蒸發低熱量、高(gao)吸(xi)收的(de)材(cai)料(liao)(liao)(liao)就可以達到上述效果，例如薄的(de)塑料(liao)(liao)(liao)薄膜以及木材(cai)、紙、泡沫等(deng)不熔化的(de)材(cai)料(liao)(liao)(liao)。

       超短(duan)脈沖(chong)激光使(shi)這項技術(shu)可以應(ying)用于其(qi)他材(cai)料。金屬中的(de)自由(you)電(dian)子(zi)吸收(shou)激光并劇烈升(sheng)溫。激光脈沖(chong)不與熔(rong)融(rong)的(de)粒子(zi)和等(deng)離(li)子(zi)體(ti)反(fan)應(ying)，材(cai)料直接(jie)升(sheng)華，沒(mei)(mei)有(you)(you)時(shi)間將能量(liang)以熱量(liang)的(de)形式(shi)傳給周圍(wei)材(cai)料。皮秒(miao)脈沖(chong)燒蝕材(cai)料時(shi)沒(mei)(mei)有(you)(you)明顯的(de)熱效應(ying)，沒(mei)(mei)有(you)(you)熔(rong)化和毛刺形成。

圖3 氣化(hua)切割：激(ji)光(guang)使材料蒸(zheng)(zheng)發，燃(ran)燒(shao)。蒸(zheng)(zheng)氣的壓強使熔渣(zha)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)于激光器和機床的技(ji)術(shu)性能，而另(ling)一些是變(bian)化的。

偏振度

       偏(pian)振度表明(ming)多少百分比的(de)激光(guang)被(bei)轉換(huan)。典(dian)型(xing)的(de)偏(pian)振度一般(ban)在(zai) 90% 左右。這對于(yu)高質量的(de)切(qie)割已(yi)經足(zu)夠了(le)。

焦點直徑

       焦(jiao)點(dian)(dian)直(zhi)徑影響切口寬度，可以(yi)通過改變聚焦(jiao)鏡的(de)焦(jiao)距改變焦(jiao)點(dian)(dian)直(zhi)徑。更(geng)小的(de)焦(jiao)點(dian)(dian)直(zhi)徑意(yi)味著更(geng)窄的(de)切口。

焦點位置

       焦(jiao)點位(wei)置決定了工件表面上(shang)的(de)光束直徑和功率密(mi)度以及切口的(de)形(xing)狀。

圖4 焦點位置：工(gong)件內部，工(gong)件表面(mian)和工(gong)件上方

激光功率

   ;    激(ji)光(guang)功(gong)率應和(he)加(jia)工類型(xing)、材料種(zhong)類和(he)厚度(du)相匹配。功(gong)率必須足夠(gou)高(gao)以至(zhi)于工件(jian)上(shang)的(de)功(gong)率密度(du)超出(chu)加(jia)工閾(yu)值。

圖5 更(geng)高的激光功率(lv)可(ke)以切割更(geng)厚的材料

工作模式

       連續模(mo)式主(zhu)要用于切割(ge)毫(hao)米到厘(li)米尺寸的(de)金屬和塑(su)料(liao)的(de)標準輪(lun)廓。而為了熔(rong)化穿孔或(huo)者產生精密的(de)輪(lun)廓，則(ze)采用低頻(pin)的(de)脈沖激光(guang)。

切割速度

       激光功率和(he)切割速(su)度(du)必須互相匹配。太快或者太慢的切割速(su)度(du)都(dou)會導致粗糙度(du)的增(zeng)加和(he)毛刺的形成(cheng)。

 圖6 切(qie)割速(su)度(du)隨(sui)著板材厚(hou)度(du)增加而降低(di)

噴嘴直徑

       噴嘴(zui)的(de)(de)直(zhi)(zhi)徑決定了從(cong)噴嘴(zui)中噴出的(de)(de)氣體(ti)流量和氣流形狀。材料(liao)越(yue)厚，氣體(ti)噴流的(de)(de)直(zhi)(zhi)徑也要越(yue)大(da)，相(xiang)應(ying)地(di)，噴嘴(zui)口(kou)的(de)(de)直(zhi)(zhi)徑也要增大(da)。

氣體純度和氣壓

       氧氣(qi)(qi)和氮氣(qi)(qi)經常(chang)用作切割氣(qi)(qi)體(ti)(ti)。氣(qi)(qi)體(ti)(ti)的純度和氣(qi)(qi)壓影響切割效果。

       采用氧氣火(huo)焰(yan)切割時，氣體純度需達到 99.95 %。鋼板越厚，采用的氣體氣壓越低。

       采(cai)用氮氣(qi)熔化切割時，氣(qi)體純度需要達到 99.995 %（理想情況是 99.999 %），熔化切割厚鋼板時需要更高的氣(qi)壓。

技術參數表

       在激光(guang)切割早期，使用者必須(xu)通過試運(yun)轉(zhuan)自(zi)行決(jue)定加工(gong)參(can)數的(de)設置。現在，成熟的(de)加工(gong)參(can)數被(bei)存儲(chu)在切割系統(tong)的(de)控制裝置中。對(dui)于每一種(zhong)(zhong)材料(liao)類型和厚(hou)度(du)，都有對(dui)應的(de)數據。技(ji)術參(can)數表使得即使不(bu)熟悉這種(zhong)(zhong)技(ji)術的(de)人也能(neng)順利操作激光(guang)切割設備。

激光切割質量評價因素

       有許(xu)多判(pan)定激光切割邊緣質量的標(biao)準。像(xiang)毛刺形(xing)式、凹陷(xian)、紋路等(deng)標(biao)準可以用肉眼(yan)判(pan)定；垂直度、粗(cu)糙(cao)度和切口寬度等(deng)則需要采用專用儀器來測量。材料(liao)沉積，腐蝕(shi)，熱影響區(qu)域和變(bian)形(xing)也是衡量激光切割質量的重要因素(su)。

圖7 好的切割(ge)，壞的切割(ge)。評價切割(ge)邊緣質(zhi)量的標準

廣闊的前景

       激(ji)(ji)光(guang)切割(ge)的(de)持續(xu)(xu)成(cheng)功，是其(qi)他大多數加工難以企及的(de)。這種趨勢今天仍在(zai)繼續(xu)(xu)。在(zai)未來，激(ji)(ji)光(guang)切割(ge)的(de)應用前景也(ye)將越來越廣闊。

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