激光切割技術(shù)

，自上世紀70年代首次亮相以來，便在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中大放異彩

。無論是鈑金

、塑料，還是玻璃

、陶瓷

、半導體，甚至是紡織品

、木材和紙質(zhì)等材料

，都成為了激光切割的舞臺。展望未來

，精密加工和微加工領(lǐng)域?qū)す馇懈畹男枨笠矊⒀该驮鲩L

。

激光切割的原理并不復雜

。當高強度的激光束聚焦在工件上時

，照射區(qū)域會迅速升溫，導致材料熔化或氣化

。一旦激光穿透工件

，切割過程便悄然展開：激光束沿著預先設定的輪廓線移動

，同時熔化材料。此時

，一股噴射氣流將熔融物從切口吹走

，留下一條僅與聚焦激光束寬度相當?shù)恼p

。

而火焰切割

，則是在切割低碳鋼時常用的工藝。它利用氧氣作為切割氣體

，經(jīng)過加壓后吹入切口

。在那里，被加熱的金屬與氧氣發(fā)生劇烈反應

，燃燒并氧化

。這種化學反應釋放的能量巨大，甚至能達到激光能量的五倍

，從而助力激光束進行高效切割。

圖1展示了激光束如何熔化工件

，并通過切割氣吹走切口中的熔融材料和熔渣

。熔化切割是切割金屬的另一種標準工藝，同樣適用于其他可熔材料

，例如陶瓷

。在熔化切割過程中，采用氮氣或氬氣作為切割氣

，這些惰性氣體不會與切口中的熔化金屬發(fā)生反應

，只會將其吹向底部。此外

，惰性氣體還能保護切割邊緣免受空氣氧化的影響。

壓縮空氣也可以用于切割薄板

。當空氣加壓到5-6 bar時

，就足以吹走切口中的熔融金屬。由于空氣中大約80%的成分是氮氣

，因此壓縮空氣切割實質(zhì)上是一種熔化切割方式

。

若參數(shù)選擇得當，等離子體輔助熔化切割過程中會產(chǎn)生等離子體云

。這種等離子體云由電離的金屬蒸氣和電離的切割氣組成，它能吸收CO2激光的能量并將其轉(zhuǎn)化為工件內(nèi)部的能量，從而加速材料的熔化過程

，提升切割速度

。因此，這種切割方式也被稱為高速等離子體切割

。值得注意的是

，等離子體云對固體激光是透明的，所以等離子體輔助熔化切割只能使用CO2激光進行

。

氣化切割

超短脈沖激光的應用擴展了這項技術(shù)的適用范圍

。在金屬中

，自由電子吸收激光能量后迅速升溫

。由于激光脈沖的持續(xù)時間極短，它不會與熔融的金屬粒子和等離子體發(fā)生相互作用

，從而使材料能夠直接升華

，即刻去除，無需將能量傳遞給周圍材料

。這種皮秒脈沖燒蝕材料的方式具有顯著的優(yōu)勢

，它幾乎消除了熱效應，減少了熔化和毛刺的產(chǎn)生

。

氣化切割過程中

，激光的能量使材料直接升華并燃燒

，產(chǎn)生的蒸氣壓強將熔渣從切口處排出。這一過程受到多個參數(shù)的影響

，包括激光器和機床的技術(shù)性能

，以及可調(diào)整的偏振度、焦點直徑和焦點位置等

。偏振度

，即激光被轉(zhuǎn)換的百分比，通常維持在90%左右

，以確保高質(zhì)量的切割效果

。焦點直徑則直接關(guān)系到切口寬度，可通過調(diào)整聚焦鏡的焦距來改變

。而焦點位置的選擇也會對切割效果產(chǎn)生重要影響

。

圖4展示了不同的焦點位置：工件內(nèi)部

、工件表面以及工件上方

。在選擇焦點位置時，需要綜合考慮加工需求、材料特性以及工件的厚度

。同時

，激光功率也是一個關(guān)鍵參數(shù)，它必須與加工類型

、材料種類及厚度相適配

，確保工件上的功率密度能夠超越加工閾值，從而獲得理想的切割效果

。

圖5展示了激光功率與材料厚度的關(guān)系：更高的激光功率能夠切割更厚的材料

。此外

，不同的工作模式也會影響切割效果

。在連續(xù)模式下，激光主要用于切割毫米到厘米尺寸的金屬和塑料的標準輪廓

。而對于需要熔化穿孔或產(chǎn)生精密輪廓的場合

，則需采用低頻脈沖激光。同時

，切割速度也是一個需要綜合考慮的因素

。激光功率與切割速度必須相互匹配，以避免因速度過快或過慢而導致的粗糙度增加和毛刺形成

。

圖6展示了切割速度與板材厚度的關(guān)系：隨著板材厚度的增加

，切割速度需要相應降低

。同時

，噴嘴直徑也是一個關(guān)鍵因素。噴嘴的直徑?jīng)Q定了噴出的氣體流量和氣流形狀

，材料越厚

，所需的氣體噴流直徑就越大，進而噴嘴口的直徑也需要增大

。此外

，氣體純度和氣壓也會影響切割效果。氧氣和氮氣常被用作切割氣體

，其純度和氣壓的選擇需要根據(jù)鋼板厚度來調(diào)整

。

在激光切割過程中，技術(shù)參數(shù)的選擇至關(guān)重要

。早期，用戶可能需要根據(jù)試運轉(zhuǎn)結(jié)果自行設定加工參數(shù)

。然而

，隨著技術(shù)的發(fā)展

，成熟的加工參數(shù)已經(jīng)被存儲在切割系統(tǒng)的控制裝置中。對于不同的材料類型和厚度

，系統(tǒng)都能提供相應的數(shù)據(jù)支持

，使得即便是初次使用者也能輕松操作激光切割設備。

激光切割的質(zhì)量評價涉及多個方面

。肉眼可見的標準包括毛刺形式

、凹陷和紋路等，而垂直度

、粗糙度和切口寬度則需要專用儀器進行測量。同時

，材料沉積

、腐蝕、熱影響區(qū)域以及變形等因素也是衡量激光切割質(zhì)量的重要指標

。

圖7展示了優(yōu)質(zhì)的切割與劣質(zhì)的切割之間的鮮明對比

，突顯了評價切割邊緣質(zhì)量的重要性。激光切割技術(shù)的持續(xù)發(fā)展與成功

，使其在加工領(lǐng)域中獨樹一幟

，難以被其他技術(shù)所超越。展望未來

，激光切割的應用前景將愈發(fā)廣闊

，其優(yōu)勢將得到更加充分的展現(xiàn)。

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