一、激光切割的主要特性 1、激光切割的切縫窄，工件變形小 激光束聚焦成很小的光點，使焦點處達到很高的功率密度。這時光束輸入的熱量遠遠超過被材料反射、傳導(dǎo)或擴散的部分，材料很快加熱至汽化程度，蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫。切邊受熱影響很小，基本沒有工件變形。 切割過程中還添加與被切材料相適合的輔助汽體。鋼切割時利用氧作為輔助汽體與熔融金屬產(chǎn)生放熱化學(xué)反應(yīng)氧化材料，同時幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣。切割聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣，棉、紙等易燃材料切割使用惰性汽體。進入噴嘴的輔助汽體還能冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導(dǎo)致鏡片過熱。 大多數(shù)有機與無機材料都可以用激光切割。在工業(yè)制造系統(tǒng)占有份量很重的金屬加工業(yè)，許多金屬材料，不管它是什么樣的硬度，都可以進行無變形切割。當(dāng)然，對高反射率材料，如金、銀、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導(dǎo)體，因此激光切割很困難，甚至不能切割。 激光切割無毛刺、皺折、精度高，優(yōu)于等離子切割。對許多機電制造行業(yè)來說，由于微機程序控制的現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件，它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用；盡管它加工速度還慢于模沖，但它沒有模具消耗，無須修理模具，還節(jié)約更換模具時間，從而節(jié)省了加工費用，降低了生產(chǎn)成本，所以從總體上考慮是更合算的。 另一方面，從如何使模具適應(yīng)工件設(shè)計尺寸和形狀變化角度看，激光切割也可發(fā)揮其精確、重現(xiàn)性好的優(yōu)勢。作為層疊模具的優(yōu)先制造手段，由于不需要高級模具制作工，激光切割運轉(zhuǎn)費用也并不昂貴，因此還能明顯的降低模具制造費用。激光切割模具還帶來的附加好處是模具切邊會產(chǎn)生一個淺硬化層（熱影響區(qū)），提高模具運行中的耐磨性。激光切割的無接觸特點給圓鋸片切割成形帶來無應(yīng)力優(yōu)勢，由于提高了鋸片使用壽命。 2、激光切割是一種高能量、密度可控性好的無接觸加工。 激光束聚焦后形成具有極強能量的很小作用點，把它應(yīng)用于切割有許多特點。首先，激光光能轉(zhuǎn)換成驚人的熱能保持在極小的區(qū)域內(nèi)，可提供（1）狹的直邊割縫；（2）最小的鄰近切邊的熱影響區(qū)；（3）極小的局部變形。其次，激光束對工件不施加任何力，它是無接觸切割工具，這就意味著（1）工件無機械變形；（2）無刀具磨損，也談不上刀具的轉(zhuǎn)換問題；（3）切割材料無須考慮它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料的硬度影響，任何硬度的材料都可以切割。再次，激光束可控性強，并有高的適應(yīng)性和柔性，因而（1）與自動化設(shè)備相結(jié)合很方便，容易實現(xiàn)切割過程自動化；（2）由于不存在對切割工件的限制，激光束具有無限的仿形切割能力；（3）與計算機結(jié)合，可整張板排料，節(jié)省材料。 3、激光切割具有廣泛的適應(yīng)性和靈活性。 與其它常規(guī)加工方法相比，激光切割具有更大的適應(yīng)性。 首先，與其他熱切割方法相比，同樣作為熱切割過程，別的方法不能象激光束那樣作用于一個極小的區(qū)域，結(jié)果導(dǎo)致切口寬、熱影響區(qū)大和明顯的工件變形。激光能切割非金屬，而其它熱切割方法則不能。 （1）氧-可燃體（如乙炔）切割。這種方法主要用于切割低碳鋼，由于它熱輸入影響大，切割速度低，很少被用來切割20MM以下要求尺寸精確的材料。 （2）等離子切割。切割速度明顯快于氧乙炔切割，但切割質(zhì)量較差，切邊頂部呈圓頭狀，切邊明顯起波浪形，還要防止電弧產(chǎn)生的紫外線輻射。它稍優(yōu)于激光切割之處在于適合切割較厚鋼板和對光束反射率高的鋁合金等。 （3）模沖。大量生產(chǎn)零件用模沖方法成本低，生產(chǎn)周期短。但它對設(shè)計上的變化的適應(yīng)性很差，新的模具需要長時間設(shè)計，造價高，對中、小規(guī)模的生產(chǎn)來說，激光切割的特點就會充分顯示。另外，激光程控切割便于工件緊密編排，節(jié)省材料，而模沖則需要每個工件周圍預(yù)留材料。 （4）復(fù)雜零件分段沖切。一般情況下，沖床經(jīng)常要沖切比模具尺寸大得多的工件，有些工件還很復(fù)雜，這就導(dǎo)致切邊呈許多小貝殼狀刃口，需要第二次預(yù)備性加工整修。另外沖頭會形成比激光切割寬得多的切口，產(chǎn)生大量鐵屑。 （5）鋸切。切割薄金屬，其速度明顯比激光切割慢，而且激光作為一個靈活的無接觸、仿形切割工具，可從材料的任何一點開始切向任何方向切割。這一點，鋸切是難以做到的。 （6）電加工。一般，有利用電腐蝕或熔解效應(yīng)的電火花和電化學(xué)加工兩種方法，用于堅硬材料的精細加工，切口粗糙度較好，但切割速度要比激光切割速度慢幾個數(shù)量級。 （7）水切割。可切割許多金屬材料，但費用很高。 二、激光切割的主要工藝 1、汽化切割 在高功率密度激光束的加熱下，材料表面溫度升至沸點溫度的速度是如此之快，足以避免熱傳導(dǎo)造成的熔化，于是部分材料汽化成蒸汽消失，部分材料作為噴出物從切縫底部被輔助氣體流吹走。一些不能熔化的材料，如木材、碳素材料和某些塑料就是通過這種汽化切割方法切割成形的。 汽化切割過程中，蒸汽隨身帶走熔化質(zhì)點和沖刷碎屑，形成孔洞。汽化過程中，大約40%的材料化作蒸汽消失，而有60%的材料是以熔滴的形式被氣流驅(qū)除的。 2、熔化切割 當(dāng)入射的激光束功率密度超過某一值后，光束照射點處材料內(nèi)部開媽蒸發(fā)，形成孔洞。一旦這種小孔形成，它將作為黑體吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金屬壁所包圍，然后，與光束同軸的輔助氣流把孔洞周圍的熔融材料帶走。隨著工件移動，小孔按切割方向同步橫移形成一條切縫。激光束繼續(xù)沿著這條縫的前沿照射，熔化材料持續(xù)或脈動地從縫內(nèi)被吹走。 3、氧化熔化切割 熔化切割一般使用惰性氣體，如果代之以氧氣或其它活性氣體，材料在激光束的照射下被點燃，與氧氣發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生另一熱源，稱為氧化熔化切割。具體描述如下： （1）材料表面在激光束的照射下很快被加熱到燃點溫度，隨之與氧氣發(fā)生激烈的燃燒反應(yīng)，放出大量熱量。在此熱量作用下，材料內(nèi)部形成充滿蒸汽的小孔，而小孔的周圍為熔融的金屬壁所包圍。 （2）燃燒物質(zhì)轉(zhuǎn)移成熔渣控制氧和金屬的燃燒速度，同時氧氣擴散通過熔渣到達點火前沿的快慢也對燃燒速度有很大的影響。氧氣流速越高，燃燒化學(xué)反應(yīng)和去除熔渣的速度也越快。當(dāng)然，氧氣流速不是越高越好，因為流速過快會導(dǎo)致切縫出口處反應(yīng)產(chǎn)物即金屬氧化物的快速冷卻，這對切割質(zhì)量也是不利的。 （3）顯然，氧化熔化切割過程存在著兩個熱源，即激光照射能和氧與金屬化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱能。據(jù)估計，切割鋼時，氧化反應(yīng)放出的熱量要占到切割所需全部能量的60%左右。很明顯，與惰性氣體比較，使用氧作輔助氣體可獲得較高的切割速度。 （4）在擁有兩個熱源的氧化熔化切割過程中，如果氧的燃燒速度高于激光束的移動速度，割縫顯得寬而粗糙。如果激光束移動的速度比氧的燃燒速度快，則所得切縫狹而光滑。 4、控制斷裂切割。 對于容易受熱破壞的脆性材料，通過激光束加熱進行高速、可控的切斷，稱為控制斷裂切割。這種切割過程主要內(nèi)容是：激光束加熱脆性材料小塊區(qū)域，引起該區(qū)域大的熱梯度和嚴重的機械變形，導(dǎo)致材料形成裂縫。只要保持均衡的加熱梯度，激光束可引導(dǎo)裂縫在任何需要的方向產(chǎn)生。 要注意的是，這種控制斷裂切割不適合切割銳角和角邊切縫。切割特大封閉外形也不容易獲得成功。控制斷裂切割速度快，不需要太高的功率，否則會引起工件表面熔化，破壞切縫邊緣。其主要控制參數(shù)是激光功率和光斑尺寸大? ? 三、激光切割機及工藝控制參數(shù)。 激光切割機系統(tǒng)一般由激光發(fā)生器、（外）光束傳輸組件、工作臺（機床）、微機數(shù)控柜、冷卻器和計算機（硬件和軟件）等部分組成。 1、激光發(fā)生器。 對于激光切割的用途而言，除了少數(shù)場合采用YAG固體激光器外，絕大部分采用電-光轉(zhuǎn)換效率較高并能輸出較高功率的CO2氣體激光器。由于激光切割對光束質(zhì)量要求很高，所以不是所有的激光器都能用作切割的。 2、數(shù)控切割機床。 由三部分組成，即工作臺（一般為精密機床）、光束傳輸系統(tǒng)（有時稱外光路，即激光器發(fā)出的光束到達工件前整個光程內(nèi)光束的傳輸光學(xué)、機械構(gòu)件）和微機數(shù)控系統(tǒng)。按切割柜與工作臺相對移動的方式，可分為以下三種類型： （1）在切割過程中，光束（由割炬射出）與工作臺都移動，一般光束沿Y向移，工作臺在X向移。 （2）在切割過程中，只有光束（割炬）移動，工作臺不移動。 （3）在切割過程中，只有工作臺移動，而光束（割炬）則固定不動。 3、五軸機。 工業(yè)生產(chǎn)中有時遇到需要切割三維立體構(gòu)件的問題，而一般的二軸、三軸激光切割機只能切割二維平面工件，這就需要裝備有機械手的切割機，即五軸機。 4、激光沖切機。 多年來，國外發(fā)展了綜合激光切割和機械沖孔技術(shù)的激光沖切機，這種機械對復(fù)雜形狀的工件用機械方法模沖出內(nèi)孔，然后用激光切割方法切出外緣和需要長距離切割的線條。 工件在切割前，對其進行激光切割的可行性以及切割過程中可能出現(xiàn)的問題要預(yù)先予以考慮。比如，此類材料可否進行激光切割？其切割的難點在哪里？是否需要對樣品進行試割？如何達到切割的質(zhì)量和精度的要求？工件切割的基準(zhǔn)起始點放在哪里？等等。 影響激光切割質(zhì)量的因素很多，激光切割的一個重要優(yōu)點在于可以對過程中的主要因素實施高度控制，使切割出的工件充分滿足客戶的要求，并且重復(fù)性很好。這些主要因素由切割速度、焦點位置、輔助氣體壓力、激光輸出功率等工藝參數(shù)構(gòu)成。 除了以上4個最重要的變量以外，可能對切割質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素還包括光束參數(shù)（模式和功率、激光束的偏振、激光束的聚焦、脈沖波光束）和工件特性（材料表面反射率、材料表面狀態(tài)），以及割炬和噴嘴、外光路系統(tǒng)、工件固定等其他因素。 四、常用工程材料的激光切割 1、金屬材料的激光切割。 雖然幾乎所有的金屬材料在室溫對紅外波能量有很高的反射率，但發(fā)射處于遠紅外波段10.6um光束的CO2激光器還是成功的應(yīng)用于許多金屬的激光切割實踐。金屬對10.6um激光束的起始吸收率只有0.5%~10%，但是，當(dāng)具有功率密度超過106w/cm2的聚焦激光束照射到金屬表面時，卻能在微秒級的時間內(nèi)很快使表面開始熔化。處于熔融態(tài)的大多數(shù)金屬的吸收率急劇上升，一般可提高60%~80%。 （1）碳鋼。 現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)可以切割碳鋼板的最大厚度可達20MM，利用氧化熔化切割機制切割碳鋼的切縫可控制在滿意的寬度范圍，對薄板其切縫可窄至0.1MM左右。 （2）不銹鋼。 激光切割對利用不銹鋼薄板作為主構(gòu)件的制造業(yè)來說是個有效的加工工具。在嚴格控制激光切割過程中的熱輸入措施下，可以限制切邊熱影響區(qū)變得很小，從而很有效的保持此類材料的良好耐腐蝕性。 （3）合金鋼。 大多數(shù)合金結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼都能用激光切割方法獲得良好的切邊質(zhì)量。即使是一些高強度材料，只要工藝參數(shù)控制得當(dāng)，可獲得平直、無粘渣切邊。不過，對于含鎢的高速工具鋼和熱模鋼，激光切割時會有熔蝕和粘渣現(xiàn)象發(fā)生。 （4）鋁及合金。 鋁切割屬于熔化切割機制，所用輔助氣體主要用于從切割區(qū)吹走熔融產(chǎn)物，通常可獲得較好的切面質(zhì)量。對某些鋁合金來說，要注意預(yù)防切縫表面晶間微裂縫產(chǎn)生。 （5）銅及合金。 純銅（紫銅）由于太高的反射率，基本上不能用CO2激光束切割。黃銅（銅合金）使用較高激光功率，輔助氣體采用空氣或氧，可以對較薄的板材進行切割。 （6）鈦及合金。 純鈦能很好耦合聚焦激光束轉(zhuǎn)化的熱能，輔助氣體采用氧時化學(xué)反應(yīng)激烈，切割速度較快，但易在切邊生成氧化層，不小心還會引起過燒。為穩(wěn)妥起見，采用空氣作為輔助氣體比較好，以確保切割質(zhì)量。 飛機制造業(yè)常用的鈦合金激光切割質(zhì)量較好，雖然切縫底部會有少許粘渣，但很容易清除。 （7）鎳合金。 鎳基合金也稱超級合金，品種很多。其中大多數(shù)都可實施氧化熔化切割。 2、非金屬材料的激光切割 10.6um波長的 CO2激光束很容易被非金屬材料吸收，導(dǎo)熱性不好和低的蒸發(fā)溫度又使吸收的光束幾乎整個輸入材料內(nèi)部，并在光斑照射處瞬間汽化，形成起始孔洞，進入切割過程的良性循環(huán)。 （1）有機材料。 可用激光切割的有機材料包括：塑料（聚合物）、橡膠、木材、紙制品、皮革等。 （2）無機材料。 可用激光切割的無機材料包括：石英、玻璃、陶瓷、石頭等。 （3）復(fù)合材料。 新型輕質(zhì)加強纖維聚合體復(fù)合材料很難是常規(guī)方法進行加工。利用激光無接觸加工的特點可以對固化前的層迭薄片高速進行切割修剪、定尺，在激光束的加熱下，薄片邊緣被融合，避免了纖維屑生成。 對完全固化后的厚工件，尤其是硼纖維和碳纖維合成材料，激光切割要注意防止切邊可能會有碳化、分層和熱損傷發(fā)生。正如塑料切割一樣，合成材料切割過程中需要及時排除廢氣。還有一種類型的復(fù)合材料，就是單純由兩種性能不同的材料上下復(fù)合在一起，為了獲取較好的切割質(zhì)量，激光切割總的原則是先切割具有較好切割性有的那一面。