激光切割简介：激光切割的基础知识

未来几年里，激光切割在精密加工和微加工领域的应用同样会获得实质的增长。

当聚焦的激光束照到工件上时，照射区域会急剧升温以使材料熔化或者气化。一旦激光束穿透工件，切割过程就开始了：激光束沿着轮廓线移动，同时将材料熔化。通常会用一股喷射气流将熔融物从切口吹走，在切割部分和板架间留下一条窄缝，窄缝几乎与聚焦的激光束等宽。

火焰切割是切割低碳钢时采用的一种标准工艺，采用氧气作为切割气体。氧气加压到高达 6 bar 后吹进切口。在那里，被加热的金属与氧气发生反应：开始燃烧和氧化。化学反应释放大量的能量（达到激光能量的五倍）辅助激光束进行切割。

图1 激光束熔化工件，切割气吹走切口中的熔融材料和熔渣

熔化切割是切割金属时使用的另一种标准工艺。也可以用于切割其他可熔材料，例如陶瓷。

采用氮气或者氩气作为切割气，气压 2-20 bar 的气体吹过切口。氩气和氮气是惰性气体，这意味着它们不和切口中的熔化金属发生反应，仅仅将它们向底部吹走。同时，惰性气体可以保护切割边缘不被空气氧化。

压缩空气同样可以用来切割薄板。空气加压到 5-6 bar 就足以吹走切口中的熔融金属。由于空气中接近 80% 都是氮气，因此压缩空气切割基本上属于熔化切割。

如果参数选择恰当，等离子体辅助熔化切割切口中会出现等离子体云。等离子体云由电离的金属蒸气和电离的切割气组成。等离子体云吸收 CO₂ 激光的能量并转化进工件，使更多的能量耦合到工件，材料会更快熔化，从而使切割速度更快。因此，这种切割过程也叫高速等离子体切割。

等离子体云事实上相对于固体激光是透明的，因此等离子体辅助熔化切割只能使用 CO₂激光。

气化切割将材料蒸发，尽可能减小了对周围材料的热效应影响。采用连续 CO₂ 激光加工蒸发低热量、高吸收的材料就可以达到上述效果，例如薄的塑料薄膜以及木材、纸、泡沫等不熔化的材料。

超短脉冲激光使这项技术可以应用于其他材料。金属中的自由电子吸收激光并剧烈升温。激光脉冲不与熔融的粒子和等离子体反应，材料直接升华，没有时间将能量以热量的形式传给周围材料。皮秒脉冲烧蚀材料时没有明显的热效应，没有熔化和毛刺形成。

图3 气化切割：激光使材料蒸发，燃烧。蒸气的压强使熔渣从切口排出

许多参数影响激光切割过程，其中一些取决于激光器和机床的技术性能，而另一些是变化的。

偏振度表明多少百分比的激光被转换。典型的偏振度一般在 90% 左右。这对于高质量的切割已经足够了。

焦点直径影响切口宽度，可以通过改变聚焦镜的焦距改变焦点直径。更小的焦点直径意味着更窄的切口。

焦点位置决定了工件表面上的光束直径和功率密度以及切口的形状。

图4 焦点位置：工件内部，工件表面和工件上方

激光功率应和加工类型、材料种类和厚度相匹配。功率必须足够高以至于工件上的功率密度超出加工阈值。

图5 更高的激光功率可以切割更厚的材料

连续模式主要用于切割毫米到厘米尺寸的金属和塑料的标准轮廓。而为了熔化穿孔或者产生精密的轮廓，则采用低频的脉冲激光。

激光功率和切割速度必须互相匹配。太快或者太慢的切割速度都会导致粗糙度的增加和毛刺的形成。

图6 切割速度随着板材厚度增加而降低

喷嘴的直径决定了从喷嘴中喷出的气体流量和气流形状。材料越厚，气体喷流的直径也要越大，相应地，喷嘴口的直径也要增大。

氧气和氮气经常用作切割气体。气体的纯度和气压影响切割效果。

采用氧气火焰切割时，气体纯度需达到 99.95 %。钢板越厚，采用的气体气压越低。

采用氮气熔化切割时，气体纯度需要达到 99.995 %（理想情况是 99.999 %），熔化切割厚钢板时需要更高的气压。

在激光切割早期，使用者必须通过试运转自行决定加工参数的设置。现在，成熟的加工参数被存储在切割系统的控制装置中。对于每一种材料类型和厚度，都有对应的数据。技术参数表使得即使不熟悉这种技术的人也能顺利操作激光切割设备。

有许多判定激光切割边缘质量的标准。像毛刺形式、凹陷、纹路等标准可以用肉眼判定；垂直度、粗糙度和切口宽度等则需要采用专用仪器来测量。材料沉积，腐蚀，热影响区域和变形也是衡量激光切割质量的重要因素。

图7 好的切割，坏的切割。评价切割边缘质量的标准

激光切割的持续成功，是其他大多数加工难以企及的。这种趋势今天仍在继续。在未来，激光切割的应用前景也将越来越广阔。

激光切割是利用高功率密度的激光束扫描过材料表面，在极短时间内将材料加热到几千至上万摄氏度，使材料熔化或气化，再用高压气体将熔化或气化物质从切缝中吹走，达到切割材料的目的。激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。

激光熔化切割

在激光熔化切割中，工件被局部熔化后借助气流把熔化的材料喷射出去。因为材料的转移只发生在其液态情况下，所以该过程被称作激光熔化切割。激光光束配上高纯惰性切割气体促使熔化的材料离开割缝，而气体本身不参与切割。气化所需的能量通常高于把材料熔化所需的能量。在激光熔化切割中，激光光束只被部分吸收。最大切割速度随着激光功率的增加而增加，随着板材厚度的增加和材料熔化温度的增加而减小。在激光功率一定的情况下，限制因素就是割缝处的气压和材料的热传导率。激光熔化切割对于铁制材料和钛金属可以得到无氧化切口。产生熔化但不到气化的激光功率密度，对于钢材料来说，在 之间。

激光火焰切割

激光火焰切割与激光熔化切割的不同之处在于使用氧气作为切割气体。借助于氧气和加热后的金属之间的相互作用，产生化学反应使材料进一步加热。由于此效应，对于相同厚度的结构钢，采用该方法可得到的切割速率比熔化切割更高。

另一方面，该方法和熔化切割相比切口质量可能更差，它会生成更宽的割缝、明显的粗错度、增加的热影响区和更差的边缘质量。

――激光火焰切割在加工精度模型和尖角时效果不好（有烧掉尖角的危险），可以使用脉冲模式的激光来限制热影响。

――所用的激光功率决定切割速度。

光气化切割

在激光气化切割过程中，材料在割缝处发生气化，此情况下需要非常高的激光功率。

为了防止材料蒸汽冷凝到割缝壁上，材料的厚度一定不要大大超过激光光束的直径。该加工因而只适合于应用在避免有熔化材料排除的情况下。

气化切割不能用于像木材和某些陶瓷等那些没有熔化状态因而不太可能让材料蒸汽再凝结的材料。另外，这些材料通常要达到更大的切口。在激光气化切割中，最优光束聚焦取决于材料厚度和光束质量。激光功率和气化热对最优焦点位置有一定的影响。

在板材厚度一定的情况下，切割速度反比于材料的气化温度。所需的激光功率密度要大于 ，并且取决于材料、切割深度和光束焦点位置。

在板材厚度一定的情况下，假设有足够的激光功率，最大切割速度受到气体射流速度的限制。