激光切割的基本知识

激光切割（Laser Cutting）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。图14-28 所示为激光切割产品。

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，从而将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。与传统的板材加工方法相比，激光切割具有更高的切割质量、更高的切割速度、更好的柔性（可随意切割任意形状）及广泛的材料适应性等优点。

1.激光切割技术的基本原理

激光切割是将激光束聚焦成很小的光斑（光斑直径小于0.1 mm），在光束焦点处获得超过104 W/mm2 的功率密度，所产生的能量足以使焦点处材料的能量大大超过被材料反射、传导或扩散而损耗的部分，由此引起激光照射点处材料的温度急剧上升，并在瞬间达到汽化温度，蒸发，形成孔洞。激光切割以此作为起点，根据被加工工件的形状要求，令激光束与工件按一定运行轨迹做相对运动，形成切缝。

图14-28　激光切割产品

（a）切割窄缝；（b）切割圆孔

图14-29　激光切割原理

图14-29 所示为激光切割原理。在数控程序的激发和驱动下，激光发生器内产生出特定模式和类型的激光，经过光路系统传送到切割头，并聚焦于工件表面，将金属熔化；同时，喷嘴从与光束平行的方向喷出辅助气体将熔渣吹走，再由程控的伺服电动机驱动，切割头按照预定路线运动，从而切割出各种形状的工件。

激光切割是非接触加工，切缝窄、工件变形小，适用于特种航空材料的切割，如钛合金、铝合金、镍合金、不锈钢、复合材料、塑料、陶瓷及石英等。其在非金属领域也有广泛的应用。

2.常见的激光切割技术

激光切割分为激光熔化切割、激光火焰切割、激光汽化切割和激光划片与导向断裂切割。

（1）激光熔化切割

激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的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。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。激光熔化切割不需要使金属完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。激光熔化切割可以得到比汽化切割更高的切割速度。汽化所需的能量通常高于把材料熔化所需的能量。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。激光熔化切割主要用于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。

（2）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。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要高。另一方面，该方法和熔化切割相比可能切口质量更差。实际上它会生成更宽的割缝、明显的表面粗糙度、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密模型和尖角时是不利的，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。在激光功率一定的情况下，限制因素就是氧气的供应和材料的热传导率。激光火焰切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。

（3）激光汽化切割

利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。为了防止材料蒸气冷凝到割缝壁上，材料的厚度一定不要大大超过激光光束的直径。在激光汽化切割中，最优光束聚焦取决于材料厚度和光束质量。所需的激光功率密度要大于108 W/cm2，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，则最大切割速度受到气体射流速度的限制。

（4）激光划片与导向断裂切割

激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，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。对于容易受热破坏的脆性材料，通过激光束加热进行高速、可控的切断，称为导向断裂切割。这种切割过程的主要内容是：激光束加热脆性材料小块区域，引起该区域大的热梯度和严重的机械变形，导致材料形成裂缝。

（5）切割方法的选择

需考虑方法的特点和板件的材料，也要考虑切割的形状。由于汽化相对熔化需要更多的热量，因此激光熔化切割的速度比激光汽化切割的速度快，激光火焰切割则是借助氧气与金属的反应热使速度加快。同时，火焰切割的切缝宽，表面粗糙度大，热影响区大，因此切缝质量相对较差；而熔化切割割缝平整，表面质量高，汽化切割因没有熔滴飞溅，切割质量较好。一般的材料可用火焰切割完成，如果要求表面无氧化，则须选择熔化切割。汽化切割一般用于对尺寸精度和表面粗糙度要求很高的情况，故其速度也最低。

3.激光切割的特点

（1）激光切割的切缝窄，工件变形小

激光束聚焦成很小的光点，使焦点处达到很高的功率密度。这时光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分，材料很快加热至汽化程度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料的相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。切边受热影响小，基本没有工件变形。大多数有机与无机材料都可以用激光切割。对高反射率材料，如金、银、铜和铝合金等，因其传热性好，故用激光切割很困难，甚至不能切割。

（2）切割速度快

用功率为1 200 W 的激光切割2 mm 厚的低碳钢板，切割速度可达600 cm/min；切割5 mm 厚的聚丙烯树脂板，切割速度可达1 200 cm/min。材料在激光切割时不需要装夹固定，既可节省工装夹具，又节省了上、下料的辅助时间。

（3）激光切割是一种高能量、密度可控性好的无接触加工

首先，激光光能转换成惊人的热能保持在极小的区域内，可提供：狭窄的直边割缝；最小的邻近切边的热影响区；极小的局部变形。其次，激光束对工件不施加任何力，它是无接触切割工具，这就意味着：工件无机械变形；无刀具磨损，也谈不上刀具的转换问题；切割材料无须考虑它的硬度，即激光切割能力不受被切材料的硬度影响，任何硬度的材料都可以切割。再次，激光束可控性强，并有高的适应性和柔性，因此，与自动化设备相结合很方便，容易实现切割过程自动化；由于不存在对切割工件的限制，故激光束具有无限的仿形切割能力；与计算机结合，可整张板排料，节省材料。

（4）激光切割具有广泛的适应性和灵活性(www.xing528.com)

与其他常规加工方法相比，激光切割具有更大的适应性。与其他热切割方法相比，同样作为热切割过程，别的方法不能像激光束那样作用于一个极小的区域，结果导致切口宽、热影响区大和明显的工件变形。激光能切割非金属，而其他热切割方法则不能。

4.激光切割设备

高精度激光切割机是利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发而形成孔洞，随着光束对材料的移动，孔洞连续形成宽度很窄的切缝（0.1 mm左右），完成对材料的切割。图14-30 所示为镭神CLS2513 高精度激光切割机，表14-5 所示为激光切割机的主要参数。

图14-30　镭神CLS2513 高精度激光切割机

表14-5　激光切割机的主要参数

机床的结构主要由以下几部分组成：

（1）床身

全部光路安置在机床的床身上，装有横梁、切割头支架和切割头工具，通过特殊设计消除在加工期间由于轴的加速带来的振动。机床底部分成几个排气腔室，当切割头位于某个排气室上部时阀门打开，废气排出。通过支架隔架，小工件和料渣落在废物箱内。

（2）工作台

移动式切割工作台与主机分离，柔性大，可加装焊接、切管等功能。工作台下方配有小车收集装置，切割的小料及金属粉末会集中收集在小车中。

（3）切割头

激光从激光器出来，通过光纤传导至切割头，在切割头上经过扩束、聚焦后，通过保护镜照射到板材上。切割头是光路最末端的器件，其内置的透镜将激光光束聚焦。良好的切割质量与喷嘴和工件的间距有关，本机切割头是非接触式电容传感头，在切割过程中可实现自动跟踪与修正工件表面和喷嘴的间距，调整激光焦距与板材的相对位置，以消除因被切割板材的不平整对切割材料造成的影响。红光指示器可自动找准材料的摆放位置。

（4）控制系统

控制系统包括数控系统（集成可编程序控制器PLC）、电控柜及操作台。数控系统由CPU 控制单元、数字伺服单元、数字伺服电动机、电缆等组成，采用全中文工作界面，能实现机外编程计算机与机床的控制系统进行数据传输通信，具有加速和突变限制功能。它还具有图形显示功能，可对激光器的各种状态进行在线和动态控制。

（5）激光控制柜

电控柜集成于设备前部，是整个设备的控制中心。它具有控制和检查激光器的功能，并可显示系统的压力、功率、放电电流和激光器的运行模式。

（6）激光器

激光发生器的心脏是谐振腔，激光束就在这里产生。

（7）冷却设备

冷却激光器、激光气体和光路系统。

（8）除尘装置

内置管道及风机，改善了工作环境。切割区域内装有大通径除尘管道及大全压的离心式除尘风机，加之全封闭的机床床身及分段除尘装置，具有较好的除尘效果。

（9）供气系统

其包括气源、过滤装置和管路，气源含瓶装气和空气压缩机。

5.激光切割软件

激光切割软件LaserCut 界面正中央黑底为绘图板，其中白色带阴影的外框表示机床幅面，并有网格显示。网格与绘图区上方和左侧的标尺会随视图的放大和缩小而变化。