鐳射切割歷史

1965年，第一臺(tái)生產(chǎn)激光切割機(jī)用于在金剛石模具中鉆孔。 該機(jī)器由西部電氣工程研究中心制造。1967年，英國(guó)率先采用激光輔助氧氣噴射切割金屬。在20世紀(jì)70年代早期，這項(xiàng)技術(shù)投入生產(chǎn)，用于切割鈦用于航空航天應(yīng)用。 與此同時(shí)，CO₂激光器適用于切割非金屬，例如紡織品，因?yàn)楫?dāng)時(shí)CO₂激光器的強(qiáng)度不足以克服金屬的導(dǎo)熱性。

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，激光切割技術(shù)主要用于特種航空材料的切割，如鈦合金、鋁合金、鎳合金、鉻合金、不銹鋼、氧化鈹、復(fù)合材料、塑料、陶瓷及石英等。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。不僅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；還能切割加工柔性材料，如布料、紙張、塑料板、橡膠等，如用激光進(jìn)行服裝剪裁，可節(jié)約衣料10%～12%，提高功效3倍以上。

切縫窄工件變形小

激光束聚焦成很小的光點(diǎn)，使焦點(diǎn)處達(dá)到很高的功率密度。這時(shí)光束輸入的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)被材料反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)散的部分，材料很快加熱至汽化程度，蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對(duì)線性移動(dòng)，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫。切邊受熱影響很小，基本沒(méi)有工件變形。

切割過(guò)程中還添加與被切材料相適合的輔助汽體。鋼切割時(shí)利用氧作為輔助汽體與熔融金屬產(chǎn)生放熱化學(xué)反應(yīng)氧化材料，同時(shí)幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣。切割聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣，棉、紙等易燃材料切割使用惰性汽體。進(jìn)入噴嘴的輔助汽體還能冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進(jìn)入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導(dǎo)致鏡片過(guò)熱。

大多數(shù)有機(jī)與無(wú)機(jī)材料都可以用激光切割。在工業(yè)制造系統(tǒng)占有份量很重的金屬加工業(yè)，許多金屬材料，不管它是什么樣的硬度，都可以進(jìn)行無(wú)變形切割。當(dāng)然，對(duì)高反射率材料，如金、銀、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導(dǎo)體，因此激光切割很困難，甚至不能切割。激光切割無(wú)毛刺、皺折、精度高，優(yōu)于等離子切割。對(duì)許多機(jī)電制造行業(yè)來(lái)說(shuō)，由于微機(jī)程序控制的現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件，它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用；盡管它加工速度還慢于模沖，但它沒(méi)有模具消耗，無(wú)須修理模具，還節(jié)約更換模具時(shí)間，從而節(jié)省了加工費(fèi)用，降低了生產(chǎn)成本，所以從總體上考慮是更合算的。

無(wú)接觸加工

激光束聚焦后形成具有極強(qiáng)能量的很小作用點(diǎn)，把它應(yīng)用于切割有許多特點(diǎn)。首先，激光光能轉(zhuǎn)換成驚人的熱能保持在極小的區(qū)域內(nèi)，可提供⑴狹的直邊割縫；⑵最小的鄰近切邊的熱影響區(qū)；⑶極小的局部變形。其次，激光束對(duì)工件不施加任何力，它是無(wú)接觸切割工具，這就意味著⑴工件無(wú)機(jī)械變形；⑵無(wú)刀具磨損，也談不上刀具的轉(zhuǎn)換問(wèn)題；⑶切割材料無(wú)須考慮它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料的硬度影響，任何硬度的材料都可以切割。再次，激光束可控性強(qiáng)，并有高的適應(yīng)性和柔性，因而⑴與自動(dòng)化設(shè)備相結(jié)合很方便，容易實(shí)現(xiàn)切割過(guò)程自動(dòng)化；⑵由于不存在對(duì)切割工件的限制，激光束具有無(wú)限的仿形切割能力；⑶與計(jì)算機(jī)結(jié)合，可整張板排料，節(jié)省材料。

適應(yīng)性和靈活性

與其它常規(guī)加工方法相比，激光切割具有更大的適應(yīng)性。首先，與其他熱切割方法相比，同樣作為熱切割過(guò)程，別的方法不能象激光束那樣作用于一個(gè)極小的區(qū)域，結(jié)果導(dǎo)致切口寬、熱影響區(qū)大和明顯的工件變形。激光能切割非金屬，而其它熱切割方法則不能。

一般來(lái)說(shuō)，激光切割質(zhì)量可以由以下6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量。

⒈切割表面粗糙度Rz

⒉切口掛渣尺寸

⒊切邊垂直度和斜度u

⒋切割邊緣圓角尺寸r

⒌條紋后拖量n

⒍平面度F

激光切割與其他熱切割方法相比較，總的特點(diǎn)是切割速度快、質(zhì)量高。具體概括為如下幾個(gè)方面。

⑴ 切割質(zhì)量好

由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能夠獲得較好的切割質(zhì)量。

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(wú)需機(jī)械加工，零部件可直接使用。

③ 材料經(jīng)過(guò)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(jiàn)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(guò)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，既可節(jié)省工裝夾具，又節(jié)省了上、下料的輔助時(shí)間。

⑷ 非接觸式切割

激光切割時(shí)割炬與工件無(wú)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(guò)程噪聲低，振動(dòng)小，無(wú)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(jiàn)表2。

⑹ 缺點(diǎn)激光切割由于受激光器功率和設(shè)備體積的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，而且隨著工件厚度的增加，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。

激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制斷裂四類。

1）激光汽化切割

利用高能量密度的激光束加熱工件，使溫度迅速上升，在非常短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到材料的沸點(diǎn)，材料開始汽化，形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大，在蒸氣噴出的同時(shí)，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)需要很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）激光熔化切割

激光熔化切割時(shí)，用激光加熱使金屬材料熔化，然后通過(guò)與光束同軸的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。激光熔化切割不需要使金屬完全汽化，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）激光氧氣切割

激光氧氣切割原理類似于氧乙炔切割。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，在金屬中形成切口。由于切割過(guò)程中的氧化反應(yīng)產(chǎn)生了大量的熱，所以激光氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，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）激光劃片與控制斷裂

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。

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。

鐳射切割（英語(yǔ)：Laser cutting），又稱激光切割，是一種現(xiàn)代的金屬加工技術(shù)，用激光將金屬切割成特定的形狀。這種技術(shù)一般都要用到電腦數(shù)控的激光切割機(jī)。 激光切割是一種使用激光切割材料的技術(shù)，通常用于工業(yè)制造應(yīng)用，但也開始被學(xué)校，小企業(yè)和業(yè)余愛(ài)好者使用。 激光切割的工作原理是通常通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)引導(dǎo)高功率激光器的輸出。 激光光學(xué)系統(tǒng)和CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)字控制）用于引導(dǎo)材料或產(chǎn)生的激光束。 用于切割材料的典型商用激光器涉及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，以遵循要切割到材料上的圖案的CNC或G代碼。 聚焦的激光束指向材料，然后熔化，燃燒，蒸發(fā)，或被氣體噴射吹走，留下具有高質(zhì)量表面光潔度的邊緣。 工業(yè)激光切割機(jī)用于切割平板材料以及結(jié)構(gòu)和管道材料。

金屬加工簡(jiǎn)稱金工，是一種把金屬物料加工生成獨(dú)立零件、組件、或大型結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù)。該術(shù)語(yǔ)涵蓋從大型船舶和橋梁到精密發(fā)動(dòng)機(jī)部件和精美首飾的廣泛工作。 因此，它包括相應(yīng)的廣泛的技能，流程和工具。

金屬加工是一種科學(xué)，藝術(shù)，業(yè)余愛(ài)好，工業(yè)和貿(mào)易。 其歷史根源跨越文化，文明和數(shù)千年。 金屬加工已經(jīng)從冶煉各種礦石的發(fā)現(xiàn)演變而來(lái)，生產(chǎn)有用的工具和裝飾用的有韌性和和延展性的金屬?，F(xiàn)代金屬加工過(guò)程雖然種類繁多和具有專業(yè)性，可被分類為成型，切割或連接加工。今天的機(jī)械車間包括一些能夠創(chuàng)建精確，有用的工件的機(jī)床。

數(shù)控機(jī)床是指可以透過(guò)事先編輯的精確指令進(jìn)行自動(dòng)加工的機(jī)床。目前大多數(shù)的數(shù)控機(jī)床為計(jì)算機(jī)數(shù)值控制機(jī)床（CNC, Computer Numerical Control），由計(jì)算機(jī)扮演整合控制的角色。

在現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)數(shù)值控制系統(tǒng)中，工件的設(shè)計(jì)高度依賴計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）及計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）等軟件。計(jì)算機(jī)輔助制造軟件解析設(shè)計(jì)模型并計(jì)算加工過(guò)程中的移動(dòng)指令，透過(guò)后處理器將移動(dòng)指令及其他加工過(guò)程中需使用到的輔助指令轉(zhuǎn)換成數(shù)值控制系統(tǒng)可以讀取的格式，之后將后處理器產(chǎn)生的檔案載入計(jì)算機(jī)數(shù)值控制機(jī)床中進(jìn)行工件加工。

將程序指令輸入數(shù)控系統(tǒng)之內(nèi)存后，經(jīng)由計(jì)算機(jī)編譯計(jì)算，透過(guò)位移控制系統(tǒng)，將資訊傳至驅(qū)動(dòng)器以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)之過(guò)程，來(lái)切削加工所設(shè)計(jì)之零件。

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