激光切割

　　簡介

　　利用激光切割設備可切割4mm以下的不銹鋼，在激光束中加氧氣可切割20mm厚的碳鋼，但加氧切割后會在切割面形成薄薄的氧化膜。切割的最大厚度可增加到20mm，但切割部件的尺寸誤差較大。

　　激光切割設備的價格相當貴，約150萬元以上。但是，由于降低了后續工藝處理的成本，所以，在大生產中采用這種設備還是可行的。由于沒有刀具加工成本，所以激光切割設備也適用生產小批量的原先不能加工的各種尺寸的部件。激光切割設備通常采用計算機化數字控制技術(CNC)裝置，采用該裝置后，就可以利用電話線從計算機輔助設計(CAD)工作站來接受切割數據。

　　原理

　　激光切割是利用經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、燒蝕或達到燃點，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質，從而實現將工件割開。激光切割屬于熱切割方法之一。激光切割的原理見下圖。

　　分類

　　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，在非常短的時間內達到材料的沸點，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，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，用激光加熱使金屬材料熔化，然后通過與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化性氣體(Ar、He、N等)，依靠氣體的強大壓力使液態金屬排出，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，發生氧化反應，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區吹出，在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應產生了大量的熱，所以激光氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度遠遠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行掃描，使材料受熱蒸發出一條小槽，然后施加一定的壓力，脆性材料就會沿小槽處裂開。激光劃片用的激光器一般為Q開關激光器和CO2激光器。

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

　　特點

　　激光切割與其他熱切割方法相比較，總的特點是切割速度快、質量高。具體概括為如下幾個方面。

　　⑴ 切割質量好

　　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量。

　　① 激光切割切口細窄，切縫兩邊平行并且與表面垂直，切割零件的尺寸精度可達±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，無需機械加工，零部件可直接使用。

　　③ 材料經過激光切割后，熱影響區寬度很小，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較為規則的長方形。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，激光切割機上一般配有多臺數控工作臺，整個切割過程可以全部實現數控。操作時，只需改變數控程序，就可適用不同形狀零件的切割，既可進行二維切割，又可實現三維切割。

　　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600cm/min;切割5mm厚的聚丙烯樹脂板，切割速度可達1200cm/min。材料在激光切割時不需要裝夾固定，既可節省工裝夾具，又節省了上、下料的輔助時間。

　　⑷ 非接觸式切割

　　激光切割時割炬與工件無接觸，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。激光切割過程噪聲低，振動小，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合材料、皮革、木材及纖維等。但是對于不同的材料，由于自身的熱物理性能及對激光的吸收率不同，表現出不同的激光切割適應性。采用CO2激光器，各種材料的激光切割性能見表2。

　　⑹ 缺點

　　激光切割由于受激光器功率和設備體積的限制，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。

　　激光切割設備費用高，一次性投資大。

　　主要特性

　　切縫窄工件變形小

　　激光束聚焦成很小的光點，使焦點處達到很高的功率密度。這時光束輸入的熱量遠遠超過被材料反射、傳導或擴散的部分，材料很快加熱至汽化程度，蒸發形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動，使孔洞連續形成寬度很窄的切縫。切邊受熱影響很小，基本沒有工件變形。

　　切割過程中還添加與被切材料相適合的輔助汽體。鋼切割時利用氧作為輔助汽體與熔融金屬產生放熱化學反應氧化材料，同時幫助吹走割縫內的熔渣。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。進入噴嘴的輔助汽體還能冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進入透鏡座內污染鏡片并導致鏡片過熱。

　　大多數有機與無機材料都可以用激光切割。在工業制造系統占有份量很重的金屬加工業，許多金屬材料，不管它是什么樣的硬度，都可以進行無變形切割。當然，對高反射率材料，如金、銀、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導體，因此激光切割很困難，甚至不能切割。

　　激光切割無毛刺、皺折、精度高，優于等離子切割。對許多機電制造行業來說，由于微機程序控制的現代激光切割系統能方便切割不同形狀與尺寸的工件，它往往比沖切、模壓工藝更被優先選用;盡管它加工速度還慢于模沖，但它沒有模具消耗，無須修理模具，還節約更換模具時間，從而節省了加工費用，降低了生產成本，所以從總體上考慮是更合算的。

　　無接觸加工

　　激光束聚焦后形成具有極強能量的很小作用點，把它應用于切割有許多特點。首先，激光光能轉換成驚人的熱能保持在極小的區域內，可提供⑴狹的直邊割縫;⑵最小的鄰近切邊的熱影響區;⑶極小的局部變形。其次，激光束對工件不施加任何力，它是無接觸切割工具，這就意味著⑴工件無機械變形;⑵無刀具磨損，也談不上刀具的轉換問題;⑶切割材料無須考慮它的硬度，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，并有高的適應性和柔性，因而⑴與自動化設備相結合很方便，容易實現切割過程自動化;⑵由于不存在對切割工件的限制，激光束具有無限的仿形切割能力;⑶與計算機結合，可整張板排料，節省材料。

　　適應性和靈活性

　　與其它常規加工方法相比，激光切割具有更大的適應性。

　　首先，與其他熱切割方法相比，同樣作為熱切割過程，別的方法不能象激光束那樣作用于一個極小的區域，結果導致切口寬、熱影響區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。

　　一般來說，激光切割質量可以由以下6個標準來衡量。

　　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切割邊緣園角尺寸r

　　⒌條紋后拖量n

　　⒍平面度F

　　應用范圍

　　大多數激光切割機都由數控程序進行控制操作或做成切割機器人。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。

　　在汽車制造領域，小汽車頂窗等空間曲線的切割技術都已經獲得廣泛應用。德國大眾汽車公司用功率為500W的激光器切割形狀復雜的車身薄板及各種曲面件。在航空航天領域，激光切割技術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動機火焰筒、鈦合金薄壁機匣、飛機框架、鈦合金蒙皮、機翼長桁、尾翼壁板、直升機主旋翼、航天飛機陶瓷隔熱瓦等。

　　激光切割成形技術在非金屬材料領域也有著較為廣泛的應用。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，如用激光進行服裝剪裁，可節約衣料10%～12%，提高功效3倍以上。

　　材料分析

　　結構鋼

　　該材料用氧氣切割時會得到較好的結果。當用氧氣作為加工氣體時，切割邊緣會輕微氧化。對于厚度達4mm的板材，可以用氮氣作為加工氣體進行高壓切割。這種情況下，切割邊緣不會被氧化。厚度在10mm以上的板材，對激光器使用特殊極板并且在加工中給工件表面涂油可以得到較好的效果。

　　不銹鋼

　　在可以接受切割端面氧化的情況下可使用氧氣;使用氮氣以得到無氧化無毛刺的邊緣，就不需要再作處理了。在板材表面涂層油膜會得到更好的穿孔效果，而不降低加工質量。

　　鋁

　　盡管有高反射率和熱傳導性，厚度6mm以下的鋁材可以切割，這取決于合金類型和激光器能力。當用氧切割時，切割表面粗糙而堅硬。用氮氣時，切割表面平滑。純鋁因為其高純非常難切割，只有在系統上安裝有“反射吸收”裝置的時候才能切割鋁材。否則反射會毀壞光學組件。

　　鈦

　　鈦板材用氬氣和氮氣作為加工氣體來切割。其它參數可以參考鎳鉻鋼。

　　銅和黃銅

　　兩種材料都具有高反射率和非常好的熱傳導性。厚度1mm以下的黃銅可以用氮氣切割;厚度2mm以下的銅可以切割，加工氣體必須用氧氣。只有在系統上安裝有“反射吸收”裝置的時候才能切割銅和黃銅。否則反射會毀壞光學組件。

　　切割工藝

　　汽化切割

　　在高功率密度激光束的加熱下，材料表面溫度升至沸點溫度的速度是如此之快，足以避免熱傳導造成的熔化，于是部分材料汽化成蒸汽消失，部分材料作為噴出物從切縫底部被輔助氣體流吹走。一些不能熔化的材料，如木材、碳素材料和某些塑料就是通過這種汽化切割方法切割成形的。

　　汽化切割過程中，蒸汽隨身帶走熔化質點和沖刷碎屑，形成孔洞。汽化過程中，大約40%的材料化作蒸汽消失，而有60%的材料是以熔滴的形式被氣流驅除的。

　　熔化切割

　　當入射的激光束功率密度超過某一值后，光束照射點處材料內部開始蒸發，形成孔洞。一旦這種小孔形成，它將作為黑體吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金屬壁所包圍，然后，與光束同軸的輔助氣流把孔洞周圍的熔融材料帶走。隨著工件移動，小孔按切割方向同步橫移形成一條切縫。激光束繼續沿著這條縫的前沿照射，熔化材料持續或脈動地從縫內被吹走。

　　氧化熔化

　　熔化切割一般使用惰性氣體，如果代之以氧氣或其它活性氣體，材料在激光束的照射下被點燃，與氧氣發生激烈的化學反應而產生另一熱源，稱為氧化熔化切割 。具體描述如下：

　　⑴材料表面在激光束的照射下很快被加熱到燃點溫度，隨之與氧氣發生激烈的燃燒反應，放出大量熱量。在此熱量作用下，材料內部形成充滿蒸汽的小孔，而小孔的周圍為熔融的金屬壁所包圍。

　　⑵燃燒物質轉移成熔渣控制氧和金屬的燃燒速度，同時氧氣擴散通過熔渣到達點火前沿的快慢也對燃燒速度有很大的影響。氧氣流速越高，燃燒化學反應和去除熔渣的速度也越快。當然，氧氣流速不是越高越好，因為流速過快會導致切縫出口處反應產物即金屬氧化物的快速冷卻，這對切割質量也是不利的。

　　⑶顯然，氧化熔化切割過程存在著兩個熱源，即激光照射能和氧與金屬化學反應產生的熱能。據估計，切割鋼時，氧化反應放出的熱量要占到切割所需全部能量的60%左右。

　　很明顯，與惰性氣體比較，使用氧作輔助氣體可獲得較高的切割速度。

　　⑷在擁有兩個熱源的氧化熔化切割過程中，如果氧的燃燒速度高于激光束的移動速度，割縫顯得寬而粗糙。如果激光束移動的速度比氧的燃燒速度快，則所得切縫狹而光滑。

　　控制斷裂

　　對于容易受熱破壞的脆性材料，通過激光束加熱進行高速、可控的切斷，稱為控制斷裂切割 。這種切割過程主要內容是：激光束加熱脆性材料小塊區域，引起該區域大的熱梯度和嚴重的機械變形，導致材料形成裂縫。只要保持均衡的加熱梯度，激光束可引導裂縫在任何需要的方向產生。

　　要注意的是，這種控制斷裂切割不適合切割銳角和角邊切縫。切割特大封閉外形也不容易獲得成功。控制斷裂切割速度快，不需要太高的功率，否則會引起工件表面熔化，破壞切縫邊緣。其主要控制參數是激光功率和光斑尺寸大小。

　　切割程序

　　1、交點位置的檢出。激光切割前需先根據材質調整光束焦點在工件上的位置，由于激光束，特別是CO2氣體激光，一般肉眼看不到，可采用楔形丙烯塊檢測出焦點位置，然后調節割炬的高度，使焦點處于設定位置。

　　2、穿孔操作要點。世紀切割加工時，有的零件從板材的內部開始切割，這就要先在板材上打孔。一種方法是采用連續激光，在薄板上穿孔，可以用正常的輔助氣體壓力，光束照射0.2~1s就能貫穿工件，然后即可轉入切割。當工件厚度較大(如板厚為2~4mm)時，采用正常的氣體壓力穿孔，在工件表面上會形成尺寸比較大的溶坑。不但影響切割質量，而且熔融物質濺出可能損壞透鏡或噴嘴。此時宜適當增大輔助氣體的壓力，同事略微增大噴嘴的孔徑與工件的距離。這種方法的缺點是氣體流量增加并使切割速度降低。

　　3、防止工件銳角轉折處的燒熔。用連續激光切割帶有銳角零件時，如切割參數匹配或操作不當，在銳角的轉折處很容易發生自燒熔鮮蝦，不能形成轉角處的尖角。這不僅使該部位的質量變差，而且還會影響隨后的切割。解決這一問題的方法是選擇適宜的切割參數，而采用脈沖激光切割時不存在銳角轉折處的燒熔問題。

　　競爭優勢

　　激光切割機是鈑金加工的一次工藝革命，是鈑金加工中的“加工中央”;激光切割機柔性化程度高，切割速度快，出產效率高，產品出產周期短，為客戶贏得了廣泛的市場，該技術的有效生命期長，國外超過2毫米厚度的板材大都采用激光切割機，很多國外的專家一致以為今后30-40年是激光加工技術發展的黃金時期。

　　一般來講，建以議12mm以內的碳鋼板、10mm以內的不銹鋼板等金屬材料切割推薦使用激光切割機。激光切割機無切削力，加工無變形：無刀具磨損，材料適應性好：無論是簡樸還是復雜零件，都可以用激光一次精密快速成型切割：其切縫窄，切割質量好，自動化程度高，操縱簡便，勞動強度低，沒有污染：可實現切割自動排樣、套料、進步了材料利用率，出產本錢低，經濟效益好。

　　激光切割機選購要考慮的因素很多，除了要考慮目前加工工件的最大尺寸、材質、需要切割的最大厚度以及原材料幅面的大小外，更多的需要考慮未來的發展方向，比如所做產品的技術改型后要加工的最大工件大小、鋼材市場所提供材料的幅面針對自己的產品哪種最省料，上下料時間等等。

　　市場現狀

　　我國激光產業的發展，雖然是一個初步發展，但在國際科技帶領下已經完成了飛躍的發展，并且比同等質量有一個高階段的突出。以激光切割機來講，市場的需求高達千萬，為廣闊的市場添加了新的生機。自從60年代第一臺激光設備的誕生和應用開始，我國就有多位專家在激光行業付出了努力，并達到了國際一個微小的差值。在激光行業的發展同時，激光成套工業設備也進入了生產的市場，擺脫了長期依靠國外的局面，解決了國內激光行業的尷尬局面。

　　國內經濟的飛速發展，成為激光市場的高產業支柱，并且可以達到每年20%以上的增長速，成為全球激光市場的一個新起點，根據專家預測，國內的激光市場仍處于高速的增長階段，在未來可以在進行翻倍的增加，來最大的擴充激光切割設備的市場，填補國內空白，將國內高端激光設備擺脫受困的狀態，成為國際上的頂梁柱。目前國內的激光產業主要在深圳、武漢兩地聚集，其中深圳是國內的重要銷售市場，并且以多年的發展經驗，領先了其他區域。

　　市場模式轉變

　　激光切割加工是指采用激光設備來給產品進行加工，這種模式是針對那種初入激光行業，并且小型的加工戶，然而這種模式在現今的社會都不提倡了，因為激光設備的價格不再是那種高高在上的設備了，完美的技術發展，優良的加工精細，使得現今的激光設備不再是那樣的昂貴，因為它們的設備有針對行業性的，這樣能夠省去了以往那種高貴的大功率設備加工，現今的小功率設備也能進行加工了，這讓這些想購買激光切割機的加工不在需要借用他人的設備進行加工了，激光切割加工模式逐漸被取代了，這是必然性。

　　下面分析下激光切割市場以及加工效果，在激光切割市場，凡事了解一點的都清楚，激光切割能夠加工多行業，然而需要購買加工多行業的設備，價格是不菲的，然而如果購買的是單行業，如刀模激光切割機 、皮革激光切割機 等，這些針對行業的設備，價格就不是那樣昂貴了，這就是未來的市場，在其加工效果方面，單行業的加工效果，肯定針對單行業其功能是最好的，能夠滿足此行業的要求，這些在這些行業設備介紹中，光博士有提到，因此在如果想采用激光切割加工的商戶們，不妨去嘗試著使用激光切割設備直接自己購買進行加工，這樣能夠幫助你實現以及解決很多的問題!