激光切割的基礎(chǔ)知識(shí)

早在上世紀(jì) 70 年代，激光就被首次用于切割。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，激光切割更被廣泛應(yīng)用于鈑金、塑料、玻璃、陶瓷、半導(dǎo)體以及紡織品、木材和紙質(zhì)等材料加工。

未來(lái)幾年里，激光切割在精密加工和微加工領(lǐng)域的應(yīng)用同樣會(huì)獲得實(shí)質(zhì)的增長(zhǎng)。

激光切割

當(dāng)聚焦的激光束照到工件上時(shí)，照射區(qū)域會(huì)急劇升溫以使材料熔化或者氣化。一旦激光束穿透工件，切割過(guò)程就開始了：激光束沿著輪廓線移動(dòng)，同時(shí)將材料熔化。通常會(huì)用一股噴射氣流將熔融物從切口吹走，在切割部分和板架間留下一條窄縫，窄縫幾乎與聚焦的激光束等寬。

火焰切割

火焰切割是切割低碳鋼時(shí)采用的一種標(biāo)準(zhǔn)工藝，采用氧氣作為切割氣體。氧氣加壓到高達(dá)6bar 后吹進(jìn)切口。在那里，被加熱的金屬與氧氣發(fā)生反應(yīng)：開始燃燒和氧化?；瘜W(xué)反應(yīng)釋放大量的能量（達(dá)到激光能量的五倍）輔助激光束進(jìn)行切割。

圖1 激光束熔化工件，切割氣吹走切口中的熔融材料和熔渣

熔化切割

熔化切割是切割金屬時(shí)使用的另一種標(biāo)準(zhǔn)工藝。也可以用于切割其他可熔材料，例如陶瓷。

采用氮?dú)饣蛘邭鍤庾鳛榍懈顨猓瑲鈮?2-20 bar 的氣體吹過(guò)切口。氬氣和氮?dú)馐嵌栊詺怏w，這意味著它們不和切口中的熔化金屬發(fā)生反應(yīng)，僅僅將它們向底部吹走。同時(shí)，惰性氣體可以保護(hù)切割邊緣不被空氣氧化。

壓縮空氣切割

壓縮空氣同樣可以用來(lái)切割薄板?？諝饧訅旱?5-6 bar 就足以吹走切口中的熔融金屬。由于空氣中接近 80% 都是氮?dú)猓虼藟嚎s空氣切割基本上屬于熔化切割。

等離子體輔助切割

如果參數(shù)選擇恰當(dāng)，等離子體輔助熔化切割切口中會(huì)出現(xiàn)等離子體云。等離子體云由電離的金屬蒸氣和電離的切割氣組成。等離子體云吸收 CO2激光的能量并轉(zhuǎn)化進(jìn)工件，使更多的能量耦合到工件，材料會(huì)更快熔化，從而使切割速度更快。因此，這種切割過(guò)程也叫高速等離子體切割。

等離子體云事實(shí)上相對(duì)于固體激光是透明的，因此等離子體輔助熔化切割只能使用 CO2激光。

圖2 等離子體輔助切割

氣化切割

氣化切割將材料蒸發(fā)，盡可能減小了對(duì)周圍材料的熱效應(yīng)影響。采用連續(xù) CO2激光加工蒸發(fā)低熱量、高吸收的材料就可以達(dá)到上述效果，例如薄的塑料薄膜以及木材、紙、泡沫等不熔化的材料。

超短脈沖激光使這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于其他材料。金屬中的自由電子吸收激光并劇烈升溫。激光脈沖不與熔融的粒子和等離子體反應(yīng)，材料直接升華，沒(méi)有時(shí)間將能量以熱量的形式傳給周圍材料。皮秒脈沖燒蝕材料時(shí)沒(méi)有明顯的熱效應(yīng)，沒(méi)有熔化和毛刺形成。

圖3 氣化切割：激光使材料蒸發(fā)，燃燒。蒸氣的壓強(qiáng)使熔渣從切口排出

參數(shù)：調(diào)整加工過(guò)程

許多參數(shù)影響激光切割過(guò)程，其中一些取決于激光器和機(jī)床的技術(shù)性能，而另一些是變化的。

偏振度

偏振度表明多少百分比的激光被轉(zhuǎn)換。典型的偏振度一般在 90% 左右。這對(duì)于高質(zhì)量的切割已經(jīng)足夠了。

焦點(diǎn)直徑

焦點(diǎn)直徑影響切口寬度，可以通過(guò)改變聚焦鏡的焦距改變焦點(diǎn)直徑。更小的焦點(diǎn)直徑意味著更窄的切口。

焦點(diǎn)位置

焦點(diǎn)位置決定了工件表面上的光束直徑和功率密度以及切口的形狀。

圖4 焦點(diǎn)位置：工件內(nèi)部，工件表面和工件上方

激光功率

激光功率應(yīng)和加工類型、材料種類和厚度相匹配。功率必須足夠高以至于工件上的功率密度超出加工閾值。

圖5 更高的激光功率可以切割更厚的材料

工作模式

連續(xù)模式主要用于切割毫米到厘米尺寸的金屬和塑料的標(biāo)準(zhǔn)輪廓。而為了熔化穿孔或者產(chǎn)生精密的輪廓，則采用低頻的脈沖激光。

切割速度

激光功率和切割速度必須互相匹配。太快或者太慢的切割速度都會(huì)導(dǎo)致粗糙度的增加和毛刺的形成。

圖6 切割速度隨著板材厚度增加而降低

噴嘴直徑

噴嘴的直徑?jīng)Q定了從噴嘴中噴出的氣體流量和氣流形狀。材料越厚，氣體噴流的直徑也要越大，相應(yīng)地，噴嘴口的直徑也要增大。

氣體純度和氣壓

氧氣和氮?dú)饨?jīng)常用作切割氣體。氣體的純度和氣壓影響切割效果。

采用氧氣火焰切割時(shí)，氣體純度需達(dá)到 99.95 %。鋼板越厚，采用的氣體氣壓越低。

采用氮?dú)馊刍懈顣r(shí)，氣體純度需要達(dá)到 99.995 %（理想情況是 99.999 %），熔化切割厚鋼板時(shí)需要更高的氣壓。

技術(shù)參數(shù)表

在激光切割早期，使用者必須通過(guò)試運(yùn)轉(zhuǎn)自行決定加工參數(shù)的設(shè)置?，F(xiàn)在，成熟的加工參數(shù)被存儲(chǔ)在切割系統(tǒng)的控制裝置中。對(duì)于每一種材料類型和厚度，都有對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。技術(shù)參數(shù)表使得即使不熟悉這種技術(shù)的人也能順利操作激光切割設(shè)備。

激光切割質(zhì)量評(píng)價(jià)因素

有許多判定激光切割邊緣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。像毛刺形式、凹陷、紋路等標(biāo)準(zhǔn)可以用肉眼判定；垂直度、粗糙度和切口寬度等則需要采用專用儀器來(lái)測(cè)量。材料沉積、腐蝕、熱影響區(qū)域和變形也是衡量激光切割質(zhì)量的重要因素。

圖7 好的切割，壞的切割。評(píng)價(jià)切割邊緣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)

廣闊的前景

激光切割的持續(xù)成功，是其他大多數(shù)加工難以企及的。這種趨勢(shì)今天仍在繼續(xù)。在未來(lái)，激光切割的應(yīng)用前景也將越來(lái)越廣闊。

審核編輯：湯梓紅