激光切割设备和工艺优化方案

目前工业领域切割用激光器主要有CO₂激光器和YAG激光器，它们的切割加工性能比较见表9.5-3。

不同材料由于自身热物理性能和对激光吸收的不同，表现出不同的切割适应性，图9.5-2给出了不同材料对不同波长激光的吸收率，不同材料在使用CO₂激光器时的切割性能见表9.5-4。

图9.5-1 激光切割原理及切割区形成示意图

表9.5-1 激光切割、氧乙炔切割和等离子弧切割方法的比较

表9.5-2 几种切割方法特性比较

表9.5-3 CO₂激光器和YAG激光器的切割加工性能比较

图9.5-2 不同材料对不同波长激光的吸收率

表9.5-4 各种材料激光切割的性能

对于固定激光器的激光切割，影响激光切割的工艺参数主要有：

1.光束模式

光束模式在一定程度上将影响切割效率和质量，多模激光聚焦性差，切割能力低，单模激光的切割能力要优于多模激光，两种模式下激光切割速度与厚度关系如图9.5-3所示。表9.5-5和表9.5-6则分别给出了单模和多模下激光切割的工艺参数。

图9.5-3 激光切割速度与横模与厚度的关系

表9.5-5 常用材料单模激光切割参数

（续）

表9.5-6 常用材料多模激光切割参数

2.激光功率

激光切割所需的激光功率主要取决于切割类型及被切割材料的性质。一般来说，激光功率增大，可切割材料的厚度也增加，切割速度加快，切口宽度也有所加大，如图9.5-4和图9.5-5所示。图9.5-6示意了激光功率对切割割缝的影响。

图9.5-4 激光功率与板厚与激光切割速度的关系

图9.5-5 激光功率对切口宽度的影响

图9.5-6 激光输出功率对切割割缝的影响

a）输出功率过大造成烧焦和熔损 b）输出功率不适当的情况（条痕粗糙且垂直） c）输出功率适当的情况

3.焦点位置（离焦量）

焦点位置对切口宽度、切割深度及切割质量影响较大，如图9.5-7～图9.5-10所示。

4.焦点深度

切割较厚钢板时，应采用焦点深度大的光束，以获得垂直度好的切割面。但是焦点深度大，光斑直径

图9.5-7 焦点距离对切口宽度的影响

图9.5-8 焦点位置对激光切割钢材切口宽度的影响

图9.5-9 焦点位置对激光切割非金属材料切口宽度的影响

注：材质为丙烯板，厚30mm，激光输出功率75W，透镜焦点距离127mm。

也增大，功率密度减小，切割速度降低。切割薄板时宜采用较小的焦点深度，这样光斑直径小，功率密度高，切割速度加快。

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图9.5-10 不同板厚时离焦量对切割质量的影响（激光功率2.3kW）

5.切割速度

切割速度直接影响切口宽度与切口表面粗糙度，不同板厚材料、不同切割气体压力，切割速度有一个最佳值。图9.5-11给出了切割速度与板厚的关系，图9.5-12、图9.5-13所示分别为切割速度对切割宽度、切割表面粗糙度的影响规律。图9.5-14给出了切割速度、激光功率不同匹配下切口表面粗糙度。

图9.5-11 切割速度与板厚的关系

图9.5-12 切割速度对切口宽度的影响

1—切口顶面 2—切口底边

图9.5-13 切割速度对切口表面粗糙度的影响

图9.5-14 切割速度、激光输出功率不同匹配时切断面的粗糙度

注：图中R为德国粗糙度代号，相当于我国的Rz。

6.辅助气体

激光切割时要根据所切割材料选取辅助气体。通常使用的气体有氧气、氮气和空气，其适用范围见表9.5-7。其中氧气适合于开孔，碳钢、不锈钢板的高速切割以及高反射材料的氧化切割；氮气适用于不锈钢板的无氧化切割，镀锌钢板的无黏渣切割；空气适用于铝、镀锌钢板无黏渣切割，一般的非金属切割。

在激光氧气切割工艺中，氧气纯度、压力对气割均有较为重要的影响，如图9.5-15、图9.5-16所示。

表9.5-7 激光切割用主要辅助气体的适用材料

图9.5-15 氧气压力对激光切割低碳钢的影响

a）板厚一定，功率不同 b）功率一定，板厚不同

图9.5-16 氧气纯度对切割速度的影响

表9.5-8～表9.5-12列出了一些工业激光器切割工艺参数。

表9.5-8 HYPE-CUT3015/2200W激光切割设备切割工艺参数

（续）

注：1in=25.4mm。

表9.5-9 激光氧气辅助切割碳钢工艺参数

注：1.随着工件厚度增加，氧气压力应降低以避免自燃和差的切割质量。

2.1bar=10⁵Pa。

表9.5-10 激光氧气辅助切割不锈钢工艺参数

注：1.氧气压力和流量要高于碳钢切割时。

2.1bar=10⁵Pa。

表9.5-11 激光氮气辅助切割不锈钢工艺参数

（续）

注：1.工件越厚，氮气压力越高。

2.1bar=10⁵Pa。

表9.5-12 激光氮气辅助切割铝合金（AlMg3）工艺参数

注：1bar=10⁵Pa。