激光切割原理_

  激光切割由于受激光器功率和设备体积的 限制，激光切割只能切割厚度较低的板材和 管材，工件厚度的增加，切割速度显而易见地下降。 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来控制操作或做 成切割机器人。激光切割作为一种精密的加工方法， 几乎能切割所有的材料，包括薄金属板的二维切 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，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。如氮化硅、陶瓷、石英等；柔性材 料，如布料、纸张、塑料板、橡胶等。

  ⑴ 切割质量好 ①激光切割切口细窄，切缝两边平行并且与表面 垂直，切割零件的尺寸精度可达±0.05mm。 ② 切割表面光洁美观，表面粗糙度只有几十微米， 甚至激光切割可当作最后一道工序，无需机械加 工，零部件可直接用。 ③ 材料经过激光切割后，热影响区宽度很小，切 缝附近材料的性能也几乎不受影响，并且工件变形 小，切割精度高，切缝的几何形状好，切缝横截面 形状呈现较为规则的长方形。激光切割、氧乙炔切 割和等离子切割方法的比较见表1，切割材料为 6.2mm厚的低碳钢板。

  激光切割是由激光器所发出的水平激光束经45°全 反射镜变为垂直向下的激光束，后经透镜聚焦，在 焦点处聚成一极小的光斑，在光斑处会焦的激光功 率密度高达10^6~10^9W/cm^2。处于其焦点 处的工件受到高功率密度的激光光斑照射，会产生 10000°C以上的局部高温，使工件瞬间汽化，再 配合辅助切割气体将汽化的金属吹走，从而将工件 切穿成一个很小的孔，随着数字控制机床的移动，无数 个小孔连接起来就成了要切的外形。由于激光切割 的频率很高，所以每个小孔连接处很光滑，切 割出来的产品光洁度很高。

  2）熔化切割 激光熔化切割时，用激光加热使金属材料 熔化，喷嘴喷吹非氧化性气体（Ar、He、N 等），依靠气体的强大压力使液态金属排出， 形成切口。所需能量只有汽化切割的1/10。 激光熔化切割大多数都用在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）氧气切割 它是用激光作为预热热源，用氧气等活性气 体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切 割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧 化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从 反应区吹出，而切割速度远大于激光汽化 切割和熔化切割。 激光氧气切割大多数都用在碳钢、钛钢以及热处 理钢等易氧化的金属材料。

  激光切割是利用经聚焦的 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、烧蚀或达到 燃点，同时借助与光束同 轴的高速气流吹除熔融物 质，以此来实现将工件割开。 激光切割属于热切割方法 之一。激光切割的原理见 下图。

  1）汽化切割 利用高能量密度的激光束加热工件。在短的 时间内汽化，形成蒸气。在材料上形成切口。 Βιβλιοθήκη Baidu料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割 时需要大的功率和功率密度。 激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属 材料（如纸、布、木材、塑料和橡皮等）的 切割。

  ⑵ 切割效率高 由于激光的传输特性，激光切割机上一般 配有多台数控工作台，整个切割过程可以全 部实现数控。操作时，只需改变数控程序， 就可适用不一样的形状零件的切割，既可进行二 维切割，又可实现三维切割。 ⑶ 切割速度快 用功率为1200W的激光切割2mm厚的低碳钢 板，切割速度可达600cm/min；切割5mm厚的 聚丙烯树脂板，切割速度可达1200cm/min。 材料在激光切割时不需要装夹固定。

  4）划片与控制断裂 激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料 的表明上进行扫描，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。 控制断裂是利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。

  ⑷ 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。加工不一样的形状的零件，不需要更 换“刀具”，只需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。 ⑸ 切割材料的种类多 与氧乙炔切割和等离子切割比较，激光切 割材料的种类多，包括金属、非金属、金属 基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维 等。但是对于不同的材料，由于自身的热物 理性能及对激光的吸收率不同，表现出不同 的激光切割适应性。