激光切割原理分类及特点
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激光切割原理分类及特点
时间： 21:16 来源：金盛激光科技 作者：网站信息员
（1）激光切割的原理 &
& & & &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。
（2）激光切割的分类
& & & &激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。
&&& 1）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，& 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。
&&& 2）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。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。
& && 3）激光氧气切割
& & & &激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。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，在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。
&&& 4）激光划片与控制断裂
& & & &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。&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。
& &激光切割的特点
& 激光切割与其他热切割方法相比较，总的特点是切割速度快、质量高。具体概括为如下几个方面。
&& ⑴ 切割质量好
& & &由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能够获得较好的切割质量。
&& 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，甚至激光切割可以作为最后一道工序，无需机械加工，零部件可直接使用。
&& 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。
&& 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，就可适用不同形状零件的切割，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，既可节省工装夹具，又节省了上、下料的辅助时间。
&& 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。加工不同形状的零件，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。采用CO2激光器，各种材料的激光切割性能见表2。
& &⑹ 缺点
& & &激光切割由于受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，而且随着工件厚度的增加，切割速度明显下降。激光切割设备费用高，一次性投资大。
激光切割的应用范围
&&& 大多数激光切割机都由数控程序进行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，几乎可以切割所有的材料，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，激光切割技术主要用于特种航空材料的切割，如钛合金、铝合金、镍合金、铬合金、不锈钢、氧化铍、复合材料、塑料、陶瓷及石英等。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。不仅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；还能切割加工柔性材料，如布料、纸张、塑料板、橡胶等，如用激光进行服装剪裁，可节约衣料10%～12%，提高功效3倍以上。
激光切割技术概要以及激光切割的精度
& & & & 激光束聚焦成很小的光点其最小直径可小于0.1mm，使焦点处达到很高的功率密度可超过106W／cm2。这时光束输入(由光能转换)的热量远远超过被材料反射、传导或扩散部分，材料很快加热至汽化湿度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄(如0.1mm左右)的切缝。切边热影响很小，基本没有工件变形。切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助气体。钢切割时得用氧作为辅助气体与溶融金属产生放热化学反应氧化材料，同时帮助吹走割缝内的熔渣。切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气，棉、纸等易燃材料切割使用惰性气体。进入喷嘴的辅助气体还能冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。
　　大多数有机与无机都可以用激光切割。在工业制造占有分量很重的金属加工业，许多金属材料，不管它具有什么样的硬度，都可进形无变形切割(目前使用最先进的激光切割系统可切割工业用钢的厚度已可接近20mm)。当然，对高反射率材料，如金、银、铜和铝合金，它们也是好的传热导体，因此激光切割很困难，甚至不能切割(某些难切割材料可使用脉冲波激光束进行切割，由于极高的脉冲波峰值功率，会使材料对光束的吸收系数瞬间急剧提高)。
　　激光切割无毛刺，皱折、精度高，优于等离子切割。对许多机电制造行业来说，由于微机程序的现代化激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件(工件图纸也可修改)，它往往比冲切、模压工艺更被优先选用；尽管它加工速度慢于模冲，但它没有模具消耗，无需修理模具，还节约更换模具时间，从而节省加工费用，降低产品成本，所以从总体上讲在经济上更为合算。
　　另一方面，从如何使模具适应工件设计尺寸和形状变化角度看，激光切割也可发挥其精确、重现性好的优势。作为层叠模具的优先制造手段，由于不需要高级模具制作工，激光切割运转费用也并不昂贵，因此还能显著地降低模具制造费用。激光切割模具还带来的附加好处是模具切边会产生一个浅硬化层(热影响区)，提高模具运行中的耐磨性。激光切割的无接触特点给圆锯片切割成形带来无应力优势，由此提高了使用寿命。
　常用工程材料的激光切割
　1.金属材料的激光切割
　　虽然几乎所有的金属材料在室温对红外波能量有很高的反射率，但发射处于远红外波段1.064um光束的灯泵浦ND:YAG激光器及10.6&mCO2激光器还是成功的应用于许多金属的激光切割实践　
　　2.非金属材料的激光切割10.6&m波长的CO2激光束很容易被非金属材料吸收，导热性不好和低的蒸发温度又使吸收的光束几乎整个输入材料内部，并在光斑照射处瞬间汽化，形成起始孔洞，进入切割过程的良性循环。
　　 激光切割的精度
　　 激光切割的精度由多方面因素组成：
　　1、激光束通过聚焦后的光斑的大小
　　激光束聚集后的光斑越小，切割精度越高，特别是切缝较小，最小的光斑可达0.01mm。
　　2、工作台的走位精度决定着切割的重复精度
　　工作台精度越高，切割的精度越高。
&　3、工件厚度越大，精度越低，切缝越大。
　由于激光光束为锥形，切缝也是锥形，厚度0.3MM的不锈钢比2MM的切缝小的多。
　　4、工件材质对激光切割精度有一定影响。
　　同样情况下，不锈钢要比铝的切割精度高，切面光滑一些。
　　激光切割机的切割质量好。切口宽度窄(一般为0.1--0.5mm)、精度高(一般孔中心距误差0.1--0.4mm,轮廓尺寸误差0.1--0.5mm)、切口表面粗糙度好(一般Ra为12.5--25&m)，切缝一般不需要再加工即可焊接
激光切割的主要工艺
本文简单介绍了激光切割的特性和激光切割的主要工艺，同时还介绍了常用的两种工程材料的激光切割技术。&
一、激光切割的主要特性
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。切边受热影响很小，基本没有工件变形。
切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助汽体。钢切割时利用氧作为辅助汽体与熔融金属产生放热化学反应氧化材料，同时帮助吹走割缝内的熔渣。切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气，棉、纸等易燃材料切割使用惰性汽体。进入喷嘴的辅助汽体还能冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致 镜片过热。
大多数有机与无机材料都可以用激光切割。在工业制造系统占有份量很重的金属加工业，许多金属材料，不管它是什么样的硬度，都可以进行无变形切割。当然，对高反射率材料，如金、银、铜和铝合金，它们也是好的传热导体，因此激光切割很困难，甚至不能切割。
激光切割无毛刺、皱折、精度高，优于等离子切割。对许多机电制造行业来说，由于微机程序控制的现代激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件，它往往比冲切、模压工艺更被优先选用；尽管它加工速度还慢于模冲，但它没有模具消耗，无须修理模具，还节约更换模具时间，从而节省了加工费用，降低了生产成本，所以从总体上考虑是更合算的。
2. 激光切割是一种高能量、密度可控性好的无接触加工
激光束聚焦后形成具有极强能量的很小作用点，把它应用于切割有许多特点。
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（1）狭的直边割缝；（2）最小的邻近切边的热影响区；（3）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（1）工件无机械变形；（2）无刀具磨损，也谈不上刀具的转换问题；（3）切割材料无须考虑它的硬度，也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。 &!-- Inject Script Filtered --& 再次，激光束可控性强，并有高的适应性和柔性，因而（1）与自动化设备相结合很方便，容易实现切割过程自动化；（2）由于不存在对切割工件的限制，激光束具有无限的仿形切割能力；（3）与计算机结合，可整张板排料，节省材料。
&&& 3. 激光切割具有广泛的适应性和灵活性
&&& 与其它常规加工方法相比，激光切割具有更大的适应性。
&&& 首先，与其他热切割方法相比，同样作为热切割过程，别的方法不能象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，而其它热切割方法则不能。
&&& 二、激光切割的主要工艺
&&& 1. 汽化切割
&&& 在高功率密度激光束的加热下，材料表面温度升至沸点温度的速度是如此之快，足以避免热传导造成的熔化，于是部分材料汽化成蒸汽消失，部分材料作为喷出物从切缝底部被辅助气体流吹走。
&&& 2. 熔化切割
&&& 当入射的激光束功率密度超过某一值后，光束照射点处材料内部开始蒸发，形成孔洞。一旦这种小孔形成，它将作为黑体吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金属壁所包围，然后，与光束同轴的辅助气流把孔洞周围的熔融材料带走。随着工件移动，小孔按切割方向同步横移形成一条切缝。
激光束继续沿着这条缝的前沿照射，熔化材料持续或脉动地从缝内被吹走。
&&& 3. 氧化熔化切割
&&& 熔化切割一般使用惰性气体，如果代之以氧气或其它活性气体，材料在激光束的照射下被点燃，与氧气发生激烈的化学反应而产生另一热源，称为氧化熔化切割。
&&& 4. 控制断裂切割
&&& 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，称为控制断裂切割。这种切割过程主要内容是：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。只要保持均衡的加热梯度，激光束可引导裂缝在任何需要的方向产生。
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　　近几年激光技术得到了快速发展，已经变成一种主流的切割技术。在工业生产中，激光切割占激光加工的70%以上，是激光加工行业中最重要的一项应用技术。随着加工精度要求的提高以及全球范围内原材料价格的上涨，低消耗、高效率、高精度的激光设备便成为了人们关注的焦点。
　　根据激光发生器的不同，目前市面上大致可分为三种：CO2激光切割机，YAG（固体）激光切割机，光纤激光切割机三种。下面小编就简单地介绍一下三种激光切割机的特点：
　　第一种：CO2激光切割机
　　CO2激光切割机，可以稳定切割20mm以内的碳钢，10mm以内的不锈钢，8mm以下的铝合金。CO2激光器的波长为10.6um，比较容易被非金属吸收，可以高质量地切割木材、亚克力、PP、有机玻璃等非金属材料，但是CO2激光的光电转化率只有10%左右。CO2激光切割机在光束出口处装有喷吹氧气、压缩空气或惰性气体N2的喷嘴，用以提高切割速度和切口的平整光洁。为了提高电源的稳定性和寿命，对于CO2气体激光要解决大功率激光器的放电稳定性。根据国际安全标准，激光危害等级分4级，CO2激光属于危害最小的一级。
　　主要优点：功率大，一般功率都在W之间，能切割25毫米以内的全尺寸不锈钢，碳钢等常规材料，以及4 mm以内铝板和60MM以内的亚克力板，木质材料板，PVC板，且在切割薄板时速度很快。另外，由于CO2激光器输出的是连续激光，其在切割时，是这三种激光切割机中切割断面效果最光滑最好的。
　　主要市场定位：6-25毫米的中厚板切割加工，主要针对大中型企业以及部分纯对外加工的激光切割加工企业，但由于其激光器维护耗损大，主机耗电量大等无法克服因素，近年来，受到光纤激光切割机的巨大冲击，市场处于明显萎缩的状态。
　　第二种：YAG（固体）激光切割机
　　YAG固体激光切割机具有价格低、稳定性好的特点，但能量效率低一般&3%，目前产品的输出功率大多在600W以下，由于输出能量小，主要用于打孔和点焊及薄板的切割。它的绿色的激光束可在脉冲或连续波的情况下应用，具有波长短、聚光性好适于精密加工特别是在脉冲下进行孔加工最为有效，也可用于切削、焊接和光刻等。YAG固体激光切割机激光器的波长不易被非金属吸收，故不能切割非金属材料，且YAG固体激光切割机需要解决的是提高电源的稳定性和寿命，即要研制大容量、长寿命的光泵激励光源，如采用半导体光泵可使能量效率大幅度地增长。
　　主要优点：能切割其他激光切割机都无法切割的铝板，铜板以及大多数有色金属材料，机器采购价格便宜，使用成本低，维护简单，大部分关键技术已被国内企业所掌握，配件价格及维护成本低，且机器操作维护简单，对工人人员素质要求不高。
　　主要市场定位：8mm以下切割，主要针对自用型中小企业和加工要求不是特别高的大多数钣金制造，家电制造，厨具制造，,装饰装潢，广告等行业用户，逐步取代线切割，数控冲床，水切割，小功率等离子等传统加工设备
　　第三种：光纤激光切割机
　　光纤激光切割机由于它可以通过光纤传输，柔性化程度空前提高，故障点少，维护方便，速度奇快，所以在切割4mm以内薄板时光纤切割机有着很大的优势，但是受固体激光波长的影响它在切割厚板时质量较差。光纤激光器激光切割机的波长为1.06um，不易被非金属吸收，故不能切割非金属材料。光纤激光的光电转化率高达25%以上，在电费消耗、配套冷却系统等方面光纤激光的优势相当明显。根据国际安全标准，激光危害等级分4级，光纤激光由于波长短对人体由于是眼睛的伤害大，属于危害最大的一级，出于安全考虑，光纤激光加工需要全封闭的环境。光纤激光切割机作为一种新兴的激光技术，普及程度远远不如CO2激光切割机。
　　主要优点：光电转换率高，电力消耗少，能切割12MM 以内的不锈钢板，碳钢板，是这三种机器中切割薄板速度最快的激光切割机，割缝细小，光斑质量好，可用于精细切割
　　主要市场定位：12mm以下切割，尤其是薄板的高精密加工，主要针对对加精度及效率要求极高的厂家，估计伴随着4000W及以上激光器的出现，光纤激光切割机最终会取代CO2大功率激光切割机的大部分市场。
　　激光切割机，是上世纪末本世纪初，新兴的一种板材加工机械设备。经过国内外近20年的不断技术更新和工艺发展，激光切割这工艺以及激光切割机设备，正被广大板材加工企业所熟悉和接受，并以其加工效率高、加工精度高、切割断面质量好、可进行三维切割加工等诸多优势逐步取代等离子切割、水切割、火焰切割、数控冲床等传统板材加工手段。
　　经过经二十年的发展，根据激光发生器的不同，目前市面上激光切割机大致可分为三种：CO2激光切割机，YAG（固体）激光切割机，三种。
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