激光切割原理

⑴ 切割質(zhì)量好

①激光切割切口細(xì)窄，切縫兩邊平行并且與表面垂直，切割零件的尺寸精度可達(dá)±0.05mm。

② 切割表面光潔美觀，表面粗糙度只有幾十微米，甚至激光切割可以作為最后一道工序，無需機(jī)械加工，零部件可直接使用。

③ 材料經(jīng)過激光切割后，熱影響區(qū)寬度很小，切縫附近材料的性能也幾乎不受影響，并且工件變形小，切割精度高，切縫的幾何形狀好，切縫橫截面形狀呈現(xiàn)較為規(guī)則的長(zhǎng)方形。激光切割、氧乙炔切割和等離子切割方法的比較見表1，切割材料為6.2mm厚的低碳鋼板。

⑵ 切割效率高

由于激光的傳輸特性，激光切割機(jī)上一般配有多臺(tái)數(shù)控工作臺(tái)，整個(gè)切割過程可以全部實(shí)現(xiàn)數(shù)控。操作時(shí)，只需改變數(shù)控程序，就可適用不同形狀零件的切割，既可進(jìn)行二維切割，又可實(shí)現(xiàn)三維切割。

⑶ 切割速度快

用功率為1200W的激光切割2mm厚的低碳鋼板，切割速度可達(dá)600cm/min；切割5mm厚的聚丙烯樹脂板，切割速度可達(dá)1200cm/min。材料在激光切割時(shí)不需要裝夾固定。

⑷ 非接觸式切割

激光切割時(shí)割炬與工件無接觸，不存在工具的磨損。加工不同形狀的零件，不需要更換“刀具”，只需改變激光器的輸出參數(shù)。激光切割過程噪聲低，振動(dòng)小，無污染。

⑸ 切割材料的種類多

與氧乙炔切割和等離子切割比較，激光切割材料的種類多，包括金屬、非金屬、金屬基和非金屬基復(fù)合材料、皮革、木材及纖維等。但是對(duì)于不同的材料，由于自身的熱物理性能及對(duì)激光的吸收率不同，表現(xiàn)出不同的激光切割適應(yīng)性。采用CO2激光器，各種材料的激光切割性能見表2。

缺點(diǎn)

激光切割由于受激光器功率和設(shè)備體積的限制，激光切割只能切割厚度較低的板材和管材，工件厚度的增加，切割速度明顯下降。

激光切割設(shè)備費(fèi)用高，一次性投資大。

激光切割的應(yīng)用范圍

大多數(shù)激光切割機(jī)都由數(shù)控程序進(jìn)行控制操作或做成切割機(jī)器人。激光切割作為一種精密的加工方法，幾乎可以切割所有的材料，包括薄金屬板的二維切割或三維切割。

在汽車制造領(lǐng)域，小汽車頂窗等空間曲線的切割技術(shù)都已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。德國(guó)大眾汽車公司用功率為500W的激光器切割形狀復(fù)雜的車身薄板及各種曲面件。在航空航天領(lǐng)域，用激光切割加工的航空航天零部件有發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒、鈦合金薄壁機(jī)匣、飛機(jī)框架、鈦合金蒙皮、機(jī)翼長(zhǎng)桁、尾翼壁板、直升機(jī)主旋翼、航天飛機(jī)陶瓷隔熱瓦等。

激光切割成形技術(shù)在非金屬材料領(lǐng)域也有著較為廣泛的應(yīng)用。如氮化硅、陶瓷、石英等；柔性材料，如布料、紙張、塑料板、橡膠等。

處于其焦點(diǎn)處的工件受到高功率密度的激光光斑照射，會(huì)產(chǎn)生10000°C以上的局部高溫，使工件瞬間汽化，再配合輔助切割氣體將汽化的金屬吹走，從而將工件切穿成一個(gè)很小的孔，隨著數(shù)控機(jī)床的移動(dòng)，無數(shù)個(gè)小孔連接起來就成了要切的外形。由于激光切割的頻率非常高，所以每個(gè)小孔連接處非常光滑，切割出來的產(chǎn)品光潔度很高。

（1）激光切割的原理

激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)將工件割開。激光切割屬于熱切割方法之一。

（2）激光切割的分類

1）汽化切割

利用高能量密度的激光束加熱工件。在短的時(shí)間內(nèi)汽化，形成蒸氣。在材料上形成切口。材料的汽化熱一般很大，所以激光汽化切割時(shí)需要大的功率和功率密度。

激光汽化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料（如紙、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。

2）熔化切割

激光熔化切割時(shí)，用激光加熱使金屬材料熔化，噴嘴噴吹非氧化性氣體（Ar、He、N等），依靠氣體的強(qiáng)大壓力使液態(tài)金屬排出，形成切口。所需能量只有汽化切割的1/10。

激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割，如不銹鋼、鈦、鋁及其合金等。

3）氧氣切割

它是用激光作為預(yù)熱熱源，用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用，發(fā)生氧化反應(yīng)，放出大量的氧化熱；另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應(yīng)區(qū)吹出，而切割速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光汽化切割和熔化切割。

激光氧氣切割主要用于碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。

4）劃片與控制斷裂

激光劃片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面進(jìn)行掃描，使材料受熱蒸發(fā)出一條小槽，然后施加一定的壓力，脆性材料就會(huì)沿小槽處裂開。激光劃片用的激光器一般為Q開關(guān)激光器和CO2激光器。

控制斷裂是利用激光刻槽時(shí)所產(chǎn)生的陡峭的溫度分布，在脆性材料中產(chǎn)生局部熱應(yīng)力，使材料沿小槽斷開。

切割是應(yīng)用激光聚焦后產(chǎn)生的高能量光束，以瞬間的高溫熔化或氣化被加工的材料，從而形成切口的一種加工手法。

本書按照激光切割原理、工藝方法及應(yīng)用的思路來編寫，既顧及激光切割原理及技術(shù)的完整性并兼顧可讀性和實(shí)用性，又充分考慮閱讀時(shí)的可選性，在內(nèi)容上還編入了一定量的激光切割設(shè)備的操作實(shí)例，以求更好地做到理論與實(shí)際相結(jié)合。本書可作為大專院校激光加工技術(shù)、光信息科學(xué)與技術(shù)、光電儀器類專業(yè)的教材，也可供相關(guān)專業(yè)學(xué)生及從事激光切割的應(yīng)用、研究、生產(chǎn)等科研和工程技術(shù)人員參考。