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激光切割技术
1. 激光切割技术基本概念
激光切割是运用高能量密度的激光束作为“切割工具”对材料进行热切割的一种材料加工方式，是激光加工行业中最重要的一项应用技术。1971年用CO2激光切割包装用夹板，初次开辟了激光切割在工业领域中的应用。随着激光切割设备的不断更新和切割工艺的日益先进，激光切割技术可实现各种金属，非金属板材及众多复杂零件的切割，在汽车工业，航空航天，国防等领域获得了广泛应用。
2. 激光切割技术基本原理和分类
2.1 激光切割技术基本原理
在激光束能量作用下，材料表面被迅速加热到几千至上万度而熔化或气化，随着气化物逸出和熔融物体被辅助高压气体吹走，达成切割材料的目的。脉冲激光合用于金属材料，连续激光合用于非金属材料。
2.2激光切割技术的分类
激光切割可分为：激光气化切割，激光熔化切割，激光氧化切割和激光划片与控制断裂四类。
（1）激光气化切割：运用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达成材料的沸点，材料开始气化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的气化热很大，所以激光气化切割时需要很大的功率和功率密度。激光气化切割多用于极薄金属材料和非金属材料的切割。
（2）激光熔化切割：激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴吹非氧化性气体，依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全气化，所需能量只有气化切割的1/10。激光熔化切割重要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢，钛，铝及其合金等。
（3）激光氧化切割：原理类似于氧-乙炔切割。是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体与切割金属发生作用，发生氧化反映，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反映区吹出，在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反映产生了大量的热，所以激光氧化切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光气化切割和熔化切割。激光氧化切割重要用于碳钢，钛钢以及热解决等易氧化的金属材料。
(4) 激光划片与断裂控制：激光划片是运用高能量密度的激光束在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。断裂控制是运用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。
3. 激光切割的工艺特点和应用范围
3.1 激光切割工艺特点
（1）切割质量好，精细
由于激光光斑小，激光切割切口细窄，切割表面光洁，热影响区宽度很小，变形小，切割零件的尺寸精度可达±0.05mm，表面粗糙度只有几十微米，甚至激光切割可以作为最后一道工序。
（2）切割效率高
由于激光的传输特性，激光切割机上一般配有数控工作台，整个切割过程可所有实现数控。操作时，只需改变数控程序，就可合用不同形状零件的切割，既可进行二维切割，又可实现三位切割。材料在激光切割时不需要装夹固定，既可节省工装夹具，又节省了上，下料的时间。
（3）非接触式切割
激光切割时割炬与工件无接触，不存在工具的磨损。加工不同形状的零件，不需要更换“刀具”，只需要改变激光器的输出参数。激光切割过程噪声低，振动小，无污染。
（4） 切割材料的种类多
激光切割材料涉及金属，非金属，金属基和非金属基复合材料，皮革，木材及纤维等。对于不同的材料，由于自身的热物理性能及对激光的吸取率不同，表现出不同的激光切割适应性。
（5） 缺陷：激光切割由于受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，并且随着工件厚度的增长，切割速度明显下降。
3.2 激光切割的应用
在材料方面受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割中，小厚度的板材和管材，并且随着工件厚度的增长，切割速度明显下降。激光切割设备费用高，一次性投资大。大多数激光切割机都由数控程序进行控制操作或做成切割机器人。激光切割作为一种精密的加工方法，几乎可以切割所有的材料，涉及薄金属板的二维切割或三维切割。
在汽车制造领域，小汽车顶窗等空间曲线的切割技术都已经获得广泛应用。德国大众汽车公司用功率为500W的激光器切割形状复杂的车身薄板及各种曲面件。在航空航天领域，激光切割技术重要用于特种航空材料的切割，如钛合金、铝合金、镍合金、铬合金、不锈钢、氧化铍、复合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有发动机火焰筒、钛合金薄壁机匣、飞机框架、钛合金蒙皮、机翼长桁、尾翼壁板、直升机主旋翼、航天飞机陶瓷隔热瓦等。
激光切割成形技术在非金属材料领域也有着较为广泛的应用。不仅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；还能切割加工柔性材料，如布料、纸张、塑料板、橡胶等，如用激光进行服装剪裁，可节约衣料10%～12%，提高功效3倍以上。
适合采用CO2激光切割的产品大体上可归纳为三类：
第一类：从技术经济角度不宜制造模具的金属钣金件，特别是轮廓形状复杂，批量不大,一般厚度；12mm的低碳钢、；6mm厚的不锈钢，以节省制造模具的成本与周期 。已采用的典型产品有：自动电梯结构件、升降电梯面板、机床及粮食机械外罩、各种电气柜、开关柜、纺织机械零件、工程机械结构件、大电机硅钢片等。
第二类：装饰、广告、服务行业用的不锈钢（一般厚度3mm）或非金属材料（一般厚度20mm）的图案、标记、字体等。如艺术照相册的图案，公司、单位、宾馆、商场的标记，车站、码头、公共场合的中英文字体。
第三类：规定均匀切缝的特殊零件。最广泛应用的典型零件是包装印刷行业用的模切版，它规定在20mm厚的木模板上切出缝宽为0.7~0.8mm的槽，然后在槽中镶嵌刀片。使用时装在模切机上，切下各种已印刷好图形的包装盒。国内近几年来应用的一个新领域是石油筛缝管。为了挡住泥沙进入抽油泵，在壁厚为6~9mm的合金钢管上切出0.3mm宽的均匀切缝，起割穿孔处小孔直径不能大于0.3mm，切割技术难度大，已有不少单位投入生产。
4. 激光切割工艺参数与质量评估
4.1激光切割工艺参数
（1）光束横模
①　 基模 又称为高斯模，是切割最抱负的模式，重要出现在功率小于1kw的激光器。
②　 低阶模 与基模比较接近，重要出现在1-2kw的中功率激光器。
③　 多模 是高阶模的混合，出现在功率大与3kw的激光器
（2） 激光功率
激光切割所需要的激光功率重要取决于切割类型以及被切割材料的性质。气化切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧气切割最小。激光功率对切割厚度、切割速度和切口宽度等有很大影响。一般激光功率增大，所能切割材料的厚度也增长，切割速度加快，切口宽度也有所加大。
（3） 焦点位置
离焦量对切口宽度和切割深度影响较大。一般选择焦点位于材料表面下方约1/3板厚处，切割深度最大，切口宽度最小。
（4） 焦点深度
切割较厚板时，应采用焦点深度大的光束，以获得垂直度较好的切割面。但焦点深度大，光斑直径也增大，功率密度随之减小，使切割速度减少。若要保持一定的切割速度，则需要增大激光的功率；切割薄板宜采用较小的焦点深度，这样光斑直径小，功率密度高，切割速度加快。
（5） 切割速度
切割速度直接影响切口宽度和切口表面粗糙度。对于不同材料的板厚，不同的切割气体压力，切割速度有一个最佳值，这个最佳值约为最大切割速度的80%。
（6） 辅助气体的种类和压力
切割低碳钢较多采用氧气作辅助气体，以运用铁-氧燃烧反映热促进切割过程，并且切割速度快，切口质量好，可以获得无挂渣的切口。切割不锈钢时，常采用O2+N2混合气体或双层气流，单用氧气在切口底边会发生挂渣。气体压力增大，动量增长，排渣能力增强，因此可以使无挂渣的切割速度增长。
氧气纯度对切割速度有一定的影响，研究表白，氧气纯度减少2%，切割速度就会减少50%。
喷嘴形状也影响激光切割质量和效率。不同切割机采用不同形状的喷嘴。
4.2激光切割质量评估
与其它常规加工方法相比，激光切割具有更大的适应性。一方面，与其他热切割方法相比，同样作为热切割过程，别的方法不能象激光束那样作用于一个极小的区域，结果导致切口宽、热影响区大和明显的工件变形。激光能切割非金属，而其它热切割方法则不能。
一般来说，激光切割质量可以由以下6个标准来衡量。
（1） 切割表面粗糙度RZ
（2）切口挂渣尺寸
（3）切边垂直度和斜度u
（4）切割边沿圆角尺寸r
（5）条纹后拖量n
（6）平面度F
5. 激光切割设备
激光切割设备与焊接设备基本类似，区别是焊接需要使用激光焊枪，而切割使用激光割炬。激光切割大都采用CO2激光切割设备，重要由激光器、导光系统、数控运动系统、割炬及抽烟系统组成。
激光器由激光电源提供高压电源，产生的激光经反射镜、导光系统把激光导向切割工件所需要的方向；数控运动系统重要用于调节割炬的移动方向，割炬与工件间的相对移动有三种情况。
①　 割炬不动，工件通过工作台运动，重要用于尺寸较小的工件。
②　 工件不动割炬移动
③　 割炬和工作台同时运动。
割炬重要涉及枪体、聚焦透镜和辅助气体喷嘴等零件。激光切割时，割炬必须满足下列规定。
④　 可以喷射出足够的气流。
⑤　 割炬内气体的喷射方向必须和反射镜的光轴同轴。
⑥　 割炬的焦距可以方便调节。
⑦　 切割时，保证金属蒸汽和切割金属的飞溅不会损伤反射镜。
激光切割时，规定激光器输出的光束经聚焦后的光斑直径最小，功率密度最高。喷嘴用于向切割区喷射辅助气体，其结构形状对切割效率和质量有一定影响。喷孔的形状有圆柱形、锥形、和缩放形等。一般根据切割工件的材质、厚度、辅助气体压力等经实验后拟定。

6. 激光切割的应用实例
6.1布料激光切割
制衣行业中使用的服装布料激光切割机打破了传统手工和电剪速度慢和难以排版,充足解决了效率达不到和浪费材料的难题.速度快，操作简朴，只需把所要裁剪的图形及尺寸输入到电脑，机械就会把整张的材料裁剪成您所需要的成品，不用刀具、不需要模具，运用激光实现非接触式加工，简便快速。布料激光切割机与传统的切割方式相比不仅价格低,消耗低.操作更方便，效果更好，并且由于激光加工对工件没有机械压力,所以切割出来产品的效果,精度以及切割速度都非常良好.并且还具有操作安全,维修简朴等特点.可连续24小时工作。
用于皮革、箱包公司及皮鞋、鞋材生产公司的激光切割雕刻机, 集切割、雕刻和镂空于一身，合用各种皮革料的加工：高档鞋材、皮包、皮衣切割特殊形状，无毛边，尺寸标准，误差小（±0.1mm），效果柔软，无高周波或刀模切压的生硬感。另可于皮革上刻画特别效果或图案，使成品更显精细及别具创意。
6.2激光切割在饰品中的应用
饰品加工是一门对比特殊的职业，由于重要是针对一些稀有的贵金属的加工改造，所以对加工改造的设备规定十分的高。可是这对小型激光切开机来说，确是一个十分好的机会，它极好的解决了加工饰品中的一些难题，并且受到了各个厂家的热捧。
运用小型激光切割机加工饰品在不需开模的情况下，就可以直接加工出想要的商品，并且精度十分的高，加工时刻只需要短短的几分钟就可以。不仅缩短了加工时刻，还减少了成本。
6.3激光切割在眼镜行业中的应用
以往眼镜行业重要运用模具做镜框，不同样式需要做不同模具，所需成本高，效率低。直到激光切割机投入后，开发新的款式只需在软件上呈现，速度快、精度大，特别适合小量、多款式的生产模式。甚至可以做到一台光纤激光切割机可以快速加工出了不同款式的眼框，为个性定制眼镜解决后顾之忧。
除此之外，激光切割机可以在板材上任意的设计图形，速度快，精度高，一次成型，无需后续解决，比传统切割设备快十几倍，极大的提高加工效率，可视排料，紧密贴合，节省材料。先进的工艺可提高眼镜厂家的新产品开发速度，可以快速收回设备投资成本。
眼镜专用激光切割机能在板材上切割任意的设计图形，速度快，精度高，一次成型，无需后续解决，比线切割快十几倍，极大的提高加工效率，可视排料，紧密贴合，节省材料。先进的工艺可提高贵公司的新产品开发速度，最快为您收回设备投资成本。一机多用，既能满足客户对平板的切割规定，也能满足管圆及异形材料（方钢、扁铁、槽钢、方管）的切割。
6.4激光雕刻
使用激光雕刻和切割，过程非常简朴，如同使用电脑和打印机在纸张上打印。您可以在Win98/Win2023/WinXP环境下运用多种图形解决软件，如CorelDraw等进行设计，扫描的图形，矢量化的图文及多种CAD文献都可轻松地“打印”到雕刻机中。唯一的不同之处是，打印将墨粉涂到纸张上，而激光雕刻是将激光射到木制品、压克力、塑料板、金属板、石材等几乎所有的材料之上。

7.参考文献
[1] 李亚江，王娟等编著.特种焊接技术及应用.北京：化学工业出版社，2023.
[2] 关桥.高能束流加工技术—先进制造技术发展的重要方向.航空制造技术，1995.