激光切割的機理與機械工藝技術
2017-4-13 來源：黑龍江森林特水利水電工程有限公司 作者：陸桂君
摘要：激光切割具有切割質量好、效率高、速度快等特點，與其他熱切割方法相比，激光切割不僅適用面廣，而且能夠實現無接觸加工，具有廣泛的市場發展空間。文章首先列舉了激光切割的特點和應用優勢，隨后分別闡述了激光汽化切割、熔化切割、氧氣切割的技術原理，最后對具體的工藝技術和切割參數進行了詳細分析。
關鍵詞：激光切割；特點分析；機械工藝
1.激光切割的特點
激光切割是利用大功率、高密度的激光束照射被切割材料，從而以瞬時高溫使材料汽化，并蒸發形成孔洞，隨著激光光束的位移，孔洞由點成線，形成連續的切縫，從而達到切割材料的效果。近年來，隨著電子信息工程和計算機技術的不斷成熟和應用，激光切割也實現了數字化控制，切割精度也有了很大提升，推動了機械加工和切割工藝的發展。所有集中熱能是材料熔化或分離的方法，都被統稱為熱切割。激光切割與其他熱切割方法（火焰切割、電弧切割）相比，其主要特點表現在以下幾個方面。
1.1 激光切割質量更好
激光光束能夠根據切割精度要求的不同進行適當調節，在機械加工領域，激光光斑直徑的精度可達 0.1mm。利用這種光徑切割機械零件，不僅切割口表面光滑，不會出現明顯的毛刺，滿足大多數情況下的機械零件使用需求，而且切縫立面相互平行，被加工機械零件的幾何形狀良好。對于一般性的機械零件來說，利用激光切割不需要進行額外的尺寸校對和打磨處理，可以直接進行使用。
1.2 激光切割效率更高
技術融合成為現代機械行業發展的主流趨勢。將激光切割與信息技術、數控技術相結合，不僅提高了激光切割進度，而且明顯改善了切割效率。目前來說，利用數控工作臺控制激光切割機，通過程序指令的控制，可以切割不同形狀的機械零件，極大的提升了切割效率。例如，現有一臺 1500W 的激光機，切割厚度為 3mm 的低碳鋼板，最高切割速度能夠達到 6×103mm/min，如果是切割樹脂材料，切割速度還能夠提升到 1×104mm/min 以上。
1.3 激光切割材料種類多
激光切割不僅能夠加工常見的金屬材料和非金屬材料，而且還可以用來加工皮革制品、木材纖維等。當然，對于不同的材料制品，激光切割的適應性也會有所差異，在切割加工時應當合理選擇。
2.激光切割的分類及其機理分析
2.1 激光汽化切割的機理分析
無論是金屬材料還是非金屬材料，都具有固定的沸點，例如鐵的沸點是 2750 攝氏度，金的沸點是 2966 攝氏度等。當外界溫度達到這些材料的沸點后，材料就會開始汽化，形成蒸汽。激光汽化切割的機理就是利用高能量的激光束作為熱源，使機械材料在瞬間達到沸點并汽化。由于溫度極高，因此會在短時間內產生高速噴出的蒸汽，并在材料上留下整齊的切口。激光汽化切割需要激光器具有很大的功率，因此這種切割方法通常用于切割厚度較小的金屬薄板，或是一些沸點較低的非金屬材料，例如木材、塑料等。
2.2 激光熔化切割的機理分析
激光熔化切割也是首先利用激光瞬時高溫使材料熔化。與汽化切割不同的是，在材料熔化后，需要用光束同軸的噴嘴向激光照射點吹出非氧化性氣體，依靠噴嘴強大的壓力，使熔化的材料不斷排出，進而形成切口。在非氧化性氣體的作用下，熔化切割不需要將機械材料完全汽化，因此所需要的加工能力也就相對較少，通常情況下只有汽化切割的 10%-15%。常用的非氧化性氣體有氦氣、氬氣，熔化切割的主要材料以活潑型技術材料為主，例如鋁、鋼、鈦合金等。
2.3 激光氧氣切割的機理分析
從作用效果上看，激光氧氣切割與氧乙炔切割類似，兩者都是利用預熱熱源，將氧氣、氫氣等活性氣體作為切割氣體，而激光氧氣切割的預熱熱源是激光。激光氧氣切割與上述兩種切割方式的不同之處在于，它直接利用活性氣體切割金屬材料：噴出的氣體一方面能夠在激光高溫的作用下，與金屬發生氧化反應，并且在這一化學反應中生產大量的氧化熱；另一方面，高速噴出的氣體還能將熔化的金屬和氧化物吹出，形成切口。由于活性氣體在氧化反應中放出了大量的熱量，在一定程度上發揮了熔化金屬材料的作用，因此切割所耗損的能量較低。
3.激光切割的工藝參數
衡量激光切割工藝和機械加工質量的參數主要包括激光功率、切口寬度、切割速度等，除此之外像光束質量、離焦量等，也會在一定程度上影響激光切割的整體質量。
3.1 激光功率
決定激光功率的主要因素的激光器，激光功率越大，則切割速度越快，切割效果越好。除了受自身硬件條件的制約外，激光功率還受到外界因素的影響，包括切割材料的性質、材料的導熱性能等。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；切割材料如果為良性熱導體，切割點的熱量能夠迅速傳播到機械材料的其他部位，則容易產生“熱區效應”，容易出現材料變形或切口粗糙等問題。
3.2 切割速度
影響激光切割速度的因素多種多樣，例如采用不同的切割工藝、切割不同的機械材料以及切割氣體壓力的大小等。通常來說，激光能量越高、材料厚度越小、切割氣體壓力越大，切割速度就快，反之同理。需要注意的是，我們在進行機械加工時，不應當一味追求激光切割速度，還應當兼顧激光切割質量。尤其是一些精密度要求極高的機械零件，必須要求激光切割的精度達到一定水平，以保證機械加工零件的可用性。
3.3 氣體壓力
激光切割噴吹的氣體有以下作用：一是用來熔化切割金屬材料，并依靠噴吹氣體的壓力將液態金屬吹走，形成切口；二是用于氧助熔化切割，氣體與切割金屬反應放熱，可提供部分切割能量。但是，氣體對材料又具有冷卻作用，能從切割區帶走部分能量。因此氣體對切割質量有重要影響。不同的噴嘴，使用的氣體流量也不同。在功率和切割材料板厚一定時，有最佳切割氣體流量，此切割速度最決。而激光功率的增加，切割氣體的最佳流量增大。無論采取何種激光切割方式，都需要對氣體壓力進行科學控制，既要保證氣體能夠吹出熔化金屬和氧化物，又要防止切口不整齊，影響激光切割質量。
3.4 光束質量、透鏡焦距和離焦量
激光器輸出光束的模式為基橫模時對激光切割非常有利。通過聚焦后獲得較小的光斑和較高的功率密度。研究表明，非氧助切割時切口寬度與激光光斑直徑基本相等。光斑的大小與聚焦透鏡的焦距成正比。短焦距的透鏡盡管能得到較小的光斑，而焦深較小。激光加工技術中采用的焦深定義為：如果光束某橫截面中心的功率密度為焦點處的 50%，此點與焦點的距離即是焦深。焦深越小，能切割的板厚越薄，工件表面到透鏡的距離要求就嚴格。切割厚板，要選用焦距較大的聚焦透鏡。離焦量對切割速度和切割深度有較大的影響，切割時要保持不變，通常離焦量要選用負值，焦點位置處在切割板面下面的某點。
4.結束語
激光切割是鈑金加工的一次工藝革命，由于激光切割具有切割速度快、產品質量好等特點，因此在機械加工行業受到了廣泛的認可。近年來，我國激光產業及其配套技術發展迅速，但是在高端激光設備核心技術方面與國外發達國家仍有差距，這就需要我們在不斷提高激光切割技術的同時，加強實踐應用，積累工作經驗，從而實現激光切割工藝技術的不斷進步。
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