激光切割原理

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

激光切割的原理見下圖。

激光切割分類

激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制斷裂四類。

1）激光汽化切割

利用高能量密度的激光束加熱工件，使溫度迅速上升，在非常短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到材料的沸點(diǎn)，材料開始汽化，形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大，在蒸氣噴出的同時(shí)，在材料上形成切口。材料的汽化熱一般很大，所以激光汽化切割時(shí)需要很大的功率和功率密度。

激光汽化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料（如紙、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。

2）激光熔化切割

激光熔化切割時(shí)，用激光加熱使金屬材料熔化，然后通過與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化性氣體（Ar、He、N等），依靠氣體的強(qiáng)大壓力使液態(tài)金屬排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金屬完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。

激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割，如不銹鋼、鈦、鋁及其合金等。

3）激光氧氣切割

激光氧氣切割原理類似于氧乙炔切割。它是用激光作為預(yù)熱熱源，用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用，發(fā)生氧化反應(yīng)，放出大量的氧化熱；另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應(yīng)區(qū)吹出，在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應(yīng)產(chǎn)生了大量的熱，所以激光氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧氣切割主要用于碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。

4）激光劃片與控制斷裂

激光劃片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面進(jìn)行掃描，使材料受熱蒸發(fā)出一條小槽，然后施加一定的壓力，脆性材料就會(huì)沿小槽處裂開。激光劃片用的激光器一般為Q開關(guān)激光器和CO2激光器。

控制斷裂是利用激光刻槽時(shí)所產(chǎn)生的陡峭的溫度分布，在脆性材料中產(chǎn)生局部熱應(yīng)力，使材料沿小槽斷開。

激光切割特點(diǎn)

激光切割與其他熱切割方法相比較，總的特點(diǎn)是切割速度快、質(zhì)量高。具體概括為如下幾個(gè)方面。

⑴ 切割質(zhì)量好

由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能夠獲得較好的切割質(zhì)量。

① 激光切割切口細(xì)窄，切縫兩邊平行并且與表面垂直，切割零件的尺寸精度可達(dá)±0.05mm。

② 切割表面光潔美觀，表面粗糙度只有幾十微米，甚至激光切割可以作為最后一道工序，無(wú)需機(jī)械加工，零部件可直接使用。

③ 材料經(jīng)過激光切割后，熱影響區(qū)寬度很小，切縫附近材料的性能也幾乎不受影響，并且工件變形小，切割精度高，切縫的幾何形狀好，切縫橫截面形狀呈現(xiàn)較為規(guī)則的長(zhǎng)方形。激光切割、氧乙炔切割和等離子切割方法的比較見表1，切割材料為6.2mm厚的低碳鋼板。

⑵ 切割效率高由于激光的傳輸特性，激光切割機(jī)上一般配有多臺(tái)數(shù)控工作臺(tái)，整個(gè)切割過程可以全部實(shí)現(xiàn)數(shù)控。操作時(shí)，只需改變數(shù)控程序，就可適用不同形狀零件的切割，既可進(jìn)行二維切割，又可實(shí)現(xiàn)三維切割。

⑶ 切割速度快

用功率為1200W的激光切割2mm厚的低碳鋼板，切割速度可達(dá)600cm/min；切割5mm厚的聚丙烯樹脂板，切割速度可達(dá)1200cm/min。材料在激光切割時(shí)不需要裝夾固定，既可節(jié)省工裝夾具，又節(jié)省了上、下料的輔助時(shí)間。

⑷ 非接觸式切割

激光切割時(shí)割炬與工件無(wú)接觸，不存在工具的磨損。加工不同形狀的零件，不需要更換“刀具”，只需改變激光器的輸出參數(shù)。激光切割過程噪聲低，振動(dòng)小，無(wú)污染。

⑸ 切割材料的種類多

與氧乙炔切割和等離子切割比較，激光切割材料的種類多，包括金屬、非金屬、金屬基和非金屬基復(fù)合材料、皮革、木材及纖維等。但是對(duì)于不同的材料，由于自身的熱物理性能及對(duì)激光的吸收率不同，表現(xiàn)出不同的激光切割適應(yīng)性。采用CO2激光器，各種材料的激光切割性能見表2。

⑹ 缺點(diǎn)激光切割由于受激光器功率和設(shè)備體積的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，而且隨著工件厚度的增加，切割速度明顯下降。

激光切割設(shè)備費(fèi)用高，一次性投資大。