激光切割的機(jī)理與機(jī)械工藝技術(shù)

陸桂君

摘 要：激光切割具有切割質(zhì)量好、效率高、速度快等特點(diǎn)，與其他熱切割方法相比，激光切割不僅適用面廣，而且能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)接觸加工，具有廣泛的市場(chǎng)發(fā)展空間。文章首先列舉了激光切割的特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，隨后分別闡述了激光汽化切割、熔化切割、氧氣切割的技術(shù)原理，最后對(duì)具體的工藝技術(shù)和切割參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：激光切割；特點(diǎn)分析；機(jī)械工藝

1 激光切割的特點(diǎn)

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(shí)高溫使材料汽化，并蒸發(fā)形成孔洞，隨著激光光束的位移，孔洞由點(diǎn)成線，形成連續(xù)的切縫，從而達(dá)到切割材料的效果。近年來，隨著電子信息工程和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用，激光切割也實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，切割精度也有了很大提升，推動(dòng)了機(jī)械加工和切割工藝的發(fā)展。

所有集中熱能是材料熔化或分離的方法，都被統(tǒng)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(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 激光切割質(zhì)量更好

激光光束能夠根據(jù)切割精度要求的不同進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，在機(jī)械加工領(lǐng)域，激光光斑直徑的精度可達(dá)0.1mm。利用這種光徑切割機(jī)械零件，不僅切割口表面光滑，不會(huì)出現(xiàn)明顯的毛刺，滿足大多數(shù)情況下的機(jī)械零件使用需求，而且切縫立面相互平行，被加工機(jī)械零件的幾何形狀良好。對(duì)于一般性的機(jī)械零件來說，利用激光切割不需要進(jìn)行額外的尺寸校對(duì)和打磨處理，可以直接進(jìn)行使用。

1.2 激光切割效率更高

技術(shù)融合成為現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)。將激光切割與信息技術(shù)、數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，不僅提高了激光切割進(jìn)度，而且明顯改善了切割效率。目前來說，利用數(shù)控工作臺(tái)控制激光切割機(jī)，通過程序指令的控制，可以切割不同形狀的機(jī)械零件，極大的提升了切割效率。例如，現(xiàn)有一臺(tái)1500W的激光機(jī)，切割厚度為3mm的低碳鋼板，最高切割速度能夠達(dá)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(dāng)然，對(duì)于不同的材料制品，激光切割的適應(yīng)性也會(huì)有所差異，在切割加工時(shí)應(yīng)當(dāng)合理選擇。

2 激光切割的分類及其機(jī)理分析

2.1 激光汽化切割的機(jī)理分析

無(wú)論是金屬材料還是非金屬材料，都具有固定的沸點(diǎn)，例如鐵的沸點(diǎn)是2750攝氏度，金的沸點(diǎn)是2966攝氏度等。當(dāng)外界溫度達(dá)到這些材料的沸點(diǎn)后，材料就會(huì)開始汽化，形成蒸汽。激光汽化切割的機(jī)理就是利用高能量的激光束作為熱源，使機(jī)械材料在瞬間達(dá)到沸點(diǎn)并汽化。由于溫度極高，因此會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)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(diǎn)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(jī)理分析

激光熔化切割也是首先利用激光瞬時(shí)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(diǎn)吹出非氧化性氣體，依靠噴嘴強(qiáng)大的壓力，使熔化的材料不斷排出，進(jìn)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(jī)械材料完全汽化，因此所需要的加工能力也就相對(duì)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(shù)材料為主，例如鋁、鋼、鈦合金等。

2.3 激光氧氣切割的機(jī)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(yù)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(yù)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(fā)生氧化反應(yīng)，并且在這一化學(xué)反應(yīng)中生產(chǎn)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(yīng)中放出了大量的熱量，在一定程度上發(fā)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(shù)

衡量激光切割工藝和機(jī)械加工質(zhì)量的參數(shù)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(zhì)量、離焦量等，也會(huì)在一定程度上影響激光切割的整體質(zhì)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(zhì)、材料的導(dǎo)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(dǎo)體，切割點(diǎn)的熱量能夠迅速傳播到機(jī)械材料的其他部位，則容易產(chǎn)生“熱區(qū)效應(yīng)”，容易出現(xiàn)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(jī)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?cè)谶M(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，不應(yīng)當(dāng)一味追求激光切割速度，還應(yīng)當(dāng)兼顧激光切割質(zhì)量。尤其是一些精密度要求極高的機(jī)械零件，必須要求激光切割的精度達(dá)到一定水平，以保證機(jī)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(tài)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(yīng)放熱，可提供部分切割能量。但是，氣體對(duì)材料又具有冷卻作用，能從切割區(qū)帶走部分能量。因此氣體對(duì)切割質(zhì)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(shí)，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(wú)論采取何種激光切割方式，都需要對(duì)氣體壓力進(jìn)行科學(xué)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(zhì)量。

3.4 光束質(zhì)量、透鏡焦距和離焦量

激光器輸出光束的模式為基橫模時(shí)對(duì)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(shí)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(shù)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(diǎn)處的50%，此點(diǎn)與焦點(diǎn)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(yán)格。切割厚板，要選用焦距較大的聚焦透鏡。離焦量對(duì)切割速度和切割深度有較大的影響，切割時(shí)要保持不變，通常離焦量要選用負(fù)值，焦點(diǎn)位置處在切割板面下面的某點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(chǎn)品質(zhì)量好等特點(diǎn)，因此在機(jī)械加工行業(yè)受到了廣泛的認(rèn)可。近年來，我國(guó)激光產(chǎn)業(yè)及其配套技術(shù)發(fā)展迅速，但是在高端激光設(shè)備核心技術(shù)方面與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家仍有差距，這就需要我們?cè)诓粩嗵岣呒す馇懈罴夹g(shù)的同時(shí)，加強(qiáng)實(shí)踐應(yīng)用，積累工作經(jīng)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)激光切割工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步。

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