激光切割技術(shù)的應(yīng)用-激光切割的分類及其機理

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，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實現(xiàn)將工件割開。激光切割屬于熱切割方法之一。

激光切割技術(shù)的現(xiàn)狀

　　近年來，激光切割技術(shù)在各個領(lǐng)域發(fā)展迅速，從2011年中國國際工業(yè)博覽會之金屬加工與數(shù)控機床展覽會上看出，激光加工機床在金屬和非金屬加工中占據(jù)了相當(dāng)大的比重。其中在汽車工業(yè)中的應(yīng)用Zui具有代表性，從汽車頂棚的激光焊接、擋風(fēng)板的激光切割、底板的激光拼焊以及車身覆蓋件三維輪廓的激光切割等。

　　激光切割加工中沒有“刀具”的磨損，工件不受切割力的影響。相對傳統(tǒng)方法，激光切割的切割效率可以提高8～20倍，更能夠節(jié)省15%～30%的材料。

　　歐洲、美國、和日本等工業(yè)較發(fā)達(dá)國家的激光加工機和工業(yè)激光器的生產(chǎn)和銷售也在逐年遞增，應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛。在全球用于激光加工領(lǐng)域的工業(yè)激光器中有超過40%的激光器是用來作切割的。相比而言，日本在激光加工工藝等方面的研究更是走在世界的前列，在車門制造過程中使鋼板切割、焊接和壓模成形一體化，而且取得了很大的進展。

　　在激光切割工藝研究方面，主要集中對激光輸出功率、焦點位置、激光模式以及噴嘴形狀等問題的研究。早在20世紀(jì)70～80年代，美國、日本以及德國等國家已經(jīng)在大量切割工藝試驗的基礎(chǔ)上，建立激光切割工藝數(shù)據(jù)庫，在90年代初期國外就相應(yīng)推出了一些高性能的激光切割系統(tǒng)。

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(fā)形成孔洞，隨著激光光束的位移，孔洞由點成線，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算機技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用，激光切割也實現(xiàn)了數(shù)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(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，其主要特點表現(xiàn)在以下幾個方面。

　　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行適當(dāng)調(diào)節(jié)，在機械加工領(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械零件，不僅切割口表面光滑，不會出現(xiàn)明顯的毛刺，滿足大多數(shù)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。

　　2、激光切割效率更高

　　技術(shù)融合成為現(xiàn)代機械行業(yè)發(fā)展的主流趨勢。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度，而且明顯改善了切割效率。目前來說，利用數(shù)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(xiàn)有一臺1500W的激光機，切割厚度為3mm的低碳鋼板，Zui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。

　　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，對于不同的材料制品，激光切割的適應(yīng)性也會有所差異，在切割加工時應(yīng)當(dāng)合理選擇。

激光切割的分類及其機理

　　1、激光汽化切割的機理

　　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(dāng)外界溫度達(dá)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(dá)到沸點并汽化。由于溫度極高，因此會在短時間內(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，或是一些沸點較低的非金屬材料，例如木材、塑料等。

　　2、激光熔化切割的機理

　　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(shù)材料為主，例如鋁、鋼、鈦合金等。

　　3、激光氧氣切割的機理

　　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。

激光切割的工藝參數(shù)

　　衡量激光切割工藝和機械加工質(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，也會在一定程度上影響激光切割的整體質(zhì)量。

　　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，切割點的熱量能夠迅速傳播到機械材料的其他部位，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。

　　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(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，以保證機械加工零件的可用性。

　　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，有Zui佳切割氣體流量，此切割速度Zui決。而激光功率的增加，切割氣體的Zui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(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。

　　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(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(yán)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(fù)值，焦點位置處在切割板面下面的某點。

激光切割技術(shù)的應(yīng)用

　　1、高速、高精度激光切割機

　　由于大功率激光器光束模式的改善及64位微機的應(yīng)用，為激光切割設(shè)備的高速、高精度創(chuàng)造了有利條件。目前國際先進水平的激光切割機的切割速度已達(dá)到20m/min以上，兩軸快速運動可達(dá)250m/min，加速度Zui大為109，定位精度達(dá)0.01mm/500mm。

　　采用高速、高精度的激光切割機，在切割板厚1mm，直徑10mm的小圓時，每分鐘能切割500多個，而其直徑誤差不大于50mm，實現(xiàn)了真正意義上的飛行切割技術(shù)。

　　2、厚板切割和大尺寸工件切割的大型激光切割機

　　隨著可用于激光切割激光器功率的增大，激光切割正從輕工業(yè)薄板的鈑金加工向著重工業(yè)厚板切割方向發(fā)展。

　　6kW大功率激光器，能切割低碳鋼板Zui大厚度達(dá)32mm的大尺寸工件。由于厚板激光切割技術(shù)的不斷改進，目前已經(jīng)嘗試使用3kW的激光器切割通常需要用6kW激光器才能切割的32mm厚的低碳鋼板，并已用于試生產(chǎn)。此外，激光切割機的加工尺寸范圍也在不斷擴大，目前生產(chǎn)Zui大激光切割機的機寬可達(dá)5.4m，長達(dá)6m。這都說明了厚板、大尺寸激光切割技術(shù)正在逐漸提高。

　　3、三維立體多軸數(shù)控激光切割機

　　為了滿足汽車、航空等工業(yè)的立體工件切割的需要，目前已發(fā)展了各種各樣的5軸或6軸三維激光切割機，其Zui大加工工件尺寸可達(dá)3500mm×1200mm，數(shù)控軸數(shù)達(dá)到9軸，加工速度快，精度高，在6.2m范圍內(nèi)加工誤差僅在0.1mm之內(nèi)。

　　在先進國家的汽車生產(chǎn)線上，YAG激光切割機器人的應(yīng)用愈來愈多。目前，三維激光切割機正向高效率、高精度、多功能和高適應(yīng)性方向發(fā)展，其應(yīng)用范圍將會愈來愈大。

激光切割技術(shù)的發(fā)展方向

　　1、高速、高精度激光切割機及切割工藝

　　我國的激光切割機生產(chǎn)，經(jīng)過近20年的發(fā)展已取得了很大成就。但與國外先進產(chǎn)品相比，還有較大差距，主要表現(xiàn)在切割機的運行速度低，動態(tài)精度差，配套功能不夠，切割工藝參數(shù)不完善和切割斷面質(zhì)量不易保證等。

　　為了進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率，必須生產(chǎn)出新型的高速、高精度的激光切割機，以滿足國內(nèi)日益增長的生產(chǎn)需要，數(shù)控激光割機應(yīng)具備專用切割工藝參數(shù)，配有激光專用自動編程系統(tǒng)及自動排料、套料系統(tǒng)，減少編程時間，提高板材利用率。激光切割機如安裝交換工作臺，則可以大大提高生產(chǎn)率，充分利用激光能源，降低生產(chǎn)成本。

　　2、厚板激光切割技術(shù)的應(yīng)用范圍想著重工業(yè)的方向發(fā)展

　　由于大功率CO₂激光器光束模式的改進和激光切割技術(shù)進步，使厚板激光切割技術(shù)的應(yīng)用逐漸增加，同時由于切割工藝采用CNC控制激光切割精度高，因此，用激光切割代替等離子、氧乙炔為主的中厚板切割的趨勢正迅速增長，激光切割正從輕工業(yè)的鈑金加工業(yè)向建筑機械、橋梁、造船等重工業(yè)方向發(fā)展。

　　3、三維高精度大型激光切割機及其應(yīng)用領(lǐng)域

　　工藝技術(shù)三維激光切割機主要應(yīng)用于汽車制造、航空、建筑及難以加工的大型立體鈑金件。

　　其主要特點是：床身剛性好、加工范圍大;龍門式結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)高速、高精度的切割;三維激光切割頭不僅能沿X、Y、Z軸作直線運動，且能進行C軸旋轉(zhuǎn).數(shù)控系統(tǒng)采用5軸或6軸聯(lián)動系統(tǒng)，具有空間立體編程簡單、操作方便和可靠性高的特點。

　　目前國內(nèi)企業(yè)對三維激光切割機已經(jīng)有需求，隨著市場和經(jīng)濟的快速發(fā)展，在汽車、航空、機車及工程機械等行業(yè)對三維激光切割機的需求將會不斷增大，因此，開發(fā)出性能好、工作可靠、使用方便的三維激光切割機，將使我國激光切割機的水平大大提高一步。

　　4、激光切割技術(shù)在農(nóng)機制造中的應(yīng)用

　　農(nóng)業(yè)機械種類繁多，更新?lián)Q代迅速，新產(chǎn)品研制周期長，而且多數(shù)種類的產(chǎn)品都屬于小批量生產(chǎn)，農(nóng)機產(chǎn)品的鈑金加工件一般采用4～6mm鋼板，板金件種類多，并且更新快，傳統(tǒng)的農(nóng)機產(chǎn)品板金加工件通常采用沖床方式，模具消耗大，通常一個大型的農(nóng)機生產(chǎn)廠家用于模具存放的庫房就近300m²。

　　由此可見，農(nóng)機部件的加工如果仍然停留在傳統(tǒng)的方式，將嚴(yán)重制約產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代與技術(shù)開發(fā)，而激光切割技術(shù)的柔性加工優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。