激光切割技術(shù)想必大家都不陌生，激光切割技術(shù)是一種利用高能量密度的激光束對材料進(jìn)行精確切割的加工方法，廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工領(lǐng)域，最常見的激光切割設(shè)備比如激光切割機(jī)等。

激光切割機(jī)就是利用了激光的切割原理，激光切割的核心在于高功率激光器產(chǎn)生的激光束，通過反射鏡和透鏡系統(tǒng)，特別是聚焦透鏡，將光束聚焦成一個極小的光斑，通常直徑只有幾十微米到幾百微米，從而在被加工材料表面形成極高的能量密度。

在高能量密度激光的照射下，材料表面迅速升溫至數(shù)千至上萬攝氏度，導(dǎo)致材料瞬間熔化、汽化或發(fā)生燃燒反應(yīng)。對于金屬材料，還可能伴隨有氧化反應(yīng)。

在激光切割過程中，常配合使用高壓輔助氣體（如氧氣、氮氣、氬氣或壓縮空氣等），一方面幫助吹走熔融或汽化的材料，另一方面起到保護(hù)切割區(qū)域、減少熱影響區(qū)、改善切割質(zhì)量和速度的作用。

激光切割的主要工藝參數(shù)有切割用激光功率、切口寬度、切割速度和氣體流量。其他因素，如激光光束質(zhì)量、透鏡焦距、離焦量和噴嘴等對于激光切割也有很大影響。

(1) 激光功率

對于材料性質(zhì)而言，如果材料的表面反射率高，那么激光在照射到材料表面時，會有更多的能量被反射回去，而不是被材料吸收用于切割。因此，為了確保足夠的能量用于切割，就需要提高激光的功率。同樣地，如果材料的導(dǎo)熱性好，那么激光照射產(chǎn)生的熱量會迅速在材料內(nèi)部傳導(dǎo)，導(dǎo)致切割區(qū)域的溫度難以升高到足以切割的程度。此時，也需要增加激光的功率來提高切割效率。此外，切割熔點高的材料也需要較大的激光功率和功率密度。因為熔點高的材料需要更多的能量才能使其熔化或汽化，從而達(dá)到切割的目的。

(2) 切割速度

在一定功率條件下，當(dāng)板厚增加時，激光束需要穿透更深的材料層才能完成切割。研究表明，切割速度與切口表面粗糙度之間的關(guān)系并非簡單的線性關(guān)系，而是呈現(xiàn)出U形變化的趨勢。這意味著對于不同板厚的材料和不同的切割氣體壓力條件，存在一個最佳的切割速度點。在此速度下進(jìn)行切割時，切口表面的粗糙度值能夠達(dá)到最小，即切口最為平滑。一般來說，切割速度越快，所需功率越大。

(3) 氣體的壓力(氣體流量)

在熔化切割過程中，激光束將材料加熱至熔化溫度，此時噴吹的氣體起到將液態(tài)金屬吹走的作用，從而形成切口。氣體壓力必須足夠大，才能有效地清除熔化的金屬，確保切割的連續(xù)性和切口的清晰度。氣體流量與噴嘴形式也有關(guān)系，不同的噴嘴形式對氣體的分布和流動特性有不同的影響，因此適用的氣體流量也會有所不同。在選擇噴嘴和設(shè)定氣體流量時，需要根據(jù)具體的切割需求和材料特性來進(jìn)行匹配和優(yōu)化。

(4) 光束質(zhì)量、透鏡焦距和離焦量

激光器輸出的光束模式對切割效果至關(guān)重要。基橫模（TEM00模）光束因其光束直徑小、能量集中，被認(rèn)為是激光切割中最理想的光束模式。實驗研究表明，非氧助切割時切口寬度與激光光斑直徑幾乎相等。光斑大小與聚焦透鏡的焦距成正比，即焦距越長，光斑越大；焦距越短，光斑越小。然而，短焦距透鏡雖然能夠獲得較小的光斑，但其焦深也相應(yīng)減小。焦深越小，意味著對工件表面到透鏡的距離要求也越嚴(yán)格。離焦量對切割速度和切割深度影響較大，切割過程中必須保持不變，一般離焦量選用負(fù)值，即焦點位置置于切割板面下面某一點。

(5)  噴嘴

噴嘴是影響激光切割質(zhì)量和效率的一個重要部件。激光切割一般采用同軸(氣流與光軸同心)噴嘴，噴嘴出口直徑大小應(yīng)依據(jù)板厚加以選擇。另外，噴嘴到工件表面的距離對切割質(zhì)量也有較大影響，為了保證切割過程穩(wěn)定，這個距離必須保持不變。

工業(yè)材料的激光切割

(1) 金屬材料的激光切割

幾乎所有的金屬材料在室溫下都對紅外光有很高的反射率。例如，對于10.6μm的二氧化碳激光的吸收率僅有0.5%~10%。但是當(dāng)功率密度超過 的聚焦光束照在金屬表面上時，能夠在微秒級的時間內(nèi)使表面開始熔化。大多數(shù)熔融態(tài)的金屬的吸收率會急劇上升，一般可提高到60%~80%。因此，二氧化碳激光器已經(jīng)成功地用于許多金屬的切割實踐。

現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)可以切割的碳鋼板的最大厚度已經(jīng)超過了20mm，利用氧助熔化切割方法切割碳鋼板，其切縫可控制在滿意的寬度范圍內(nèi)，對薄鋼板的切縫可窄至0.1mm左右。激光切割對于不銹鋼板是一種有效的加工手段，它可以把熱影響區(qū)控制在很小的范圍內(nèi)，從而很好地保持其耐腐蝕性。大多數(shù)合金結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼都能夠用激光切割方法得到良好的切邊質(zhì)量。

鋁及鋁合金不能用氧助熔化切割，要采用熔化切割機(jī)理，鋁激光切割需要很高的功率密度以克服它對10.6μm 波長的激光的高反射率。1. 06μm 波長的YAG 激光束由于有較高的吸收率，能夠大幅度地提高鋁激光切割的切割質(zhì)量和速度。

飛機(jī)制造業(yè)常用的鈦及鈦合金采用氧氣作輔助氣體時化學(xué)反應(yīng)激烈，切割速度較快，但是易在切邊形成氧化層，甚至引起過燒。采用惰性氣體作為輔助氣體比較穩(wěn)妥，可以確保切割質(zhì)量。

大多數(shù)鎳基合金也可實施氧助熔化切割。銅及銅合金反射率太高，基本上不能用10.6μm的二氧化碳激光進(jìn)行切割。

(2) 非金屬材料的激光切割

10.6μm的二氧化碳激光束很容易被非金屬材料所吸收，它的低反射率和蒸發(fā)溫度使吸收的光能幾乎全部傳入材料內(nèi)部，并在瞬間引起汽化形成孔洞，進(jìn)入切割過程的良性循環(huán)。塑料、橡膠、木材、紙制品、皮革、天然織物及其他有機(jī)材料都可以用激光進(jìn)行切割。但是木材的厚度需有所限制，木板厚度在75mm內(nèi)，層壓板和木屑板約為25mm。無機(jī)材料中石英和陶瓷可以用激光進(jìn)行切割，后者宜用控制斷裂切割且不可采用高功率。玻璃和石頭一般不宜用激光切割。

其他難以用常規(guī)方法加工的材料，如復(fù)合材料、硬質(zhì)合金等都可以用激光切割，但是要經(jīng)過實驗選擇合理的切割機(jī)理和工藝參數(shù)。

在實際的激光切割技術(shù)應(yīng)用中，提升切割效率、改進(jìn)切割質(zhì)量、降低切割成本是我們經(jīng)常需要考慮的事情之一。

提升激光切割技術(shù)以提高生產(chǎn)效率、切割質(zhì)量和降低成本，可以從以下幾個方面著手：

1、隨著激光技術(shù)的進(jìn)步，使用更高功率的激光器（如萬瓦級）可以顯著提升切割速度，同時減少熱影響區(qū)和材料變形，使得切割更加高效且質(zhì)量更佳，尤其適用于較厚材料的切割。

2、合理調(diào)整激光功率、切割速度、輔助氣體類型和壓力、噴嘴與材料的距離等參數(shù)，依據(jù)具體材料和切割需求進(jìn)行精細(xì)化設(shè)置，通過多次試驗找到最優(yōu)參數(shù)組合，可以提高切割效率和質(zhì)量。

3、通過自動調(diào)焦系統(tǒng)，根據(jù)材料厚度和類型自動調(diào)整激光焦點位置，確保切割精度。

4、減少非切割時間，通過快速移動切割頭到下一個切割起點，提高整體作業(yè)效率。

5、自動檢測材料邊緣和傾斜角度，自動調(diào)整切割路徑，減少材料浪費和預(yù)處理時間。

6、利用CNC軟件進(jìn)行模擬切割，規(guī)劃最簡潔的切割路徑，減少空行程，提高材料利用率和切割速度。

7、定期對激光切割機(jī)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，如更換易損件、清潔光學(xué)元件、校準(zhǔn)設(shè)備等，可以確保設(shè)備長期穩(wěn)定運行，維持最佳切割性能。

8、保持激光切割機(jī)的工作環(huán)境清潔、溫度適宜、濕度適中，避免灰塵和濕度過高對設(shè)備和切割效果的影響。

9、采用更先進(jìn)的CNC控制系統(tǒng)和軟件，提升控制精度和響應(yīng)速度，支持更復(fù)雜的切割任務(wù)。

10、持續(xù)關(guān)注激光技術(shù)的新進(jìn)展，如更高效的激光源、更先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)、智能化軟件算法等，以不斷提升切割能力。

轉(zhuǎn)自：沖壓幫

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