激光切割原理

  光纖激光切割機利用經(jīng)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、燒蝕或達到燃點，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實現(xiàn)將工件割開，激光切割屬于熱切割方法之一，其工作原理圖如下圖示[1]。

[1]陳家璧，彭潤玲，等.激光原理及應(yīng)用[J]. 電子工業(yè)出版社,2008:174.

激光切割的分類
　　

1）汽化切割
　　利用高能密度的激光束加熱工件。在短的時間內(nèi)汽化，形成蒸氣。在材料上形成切口。材料的汽化熱一般很大，所以激光汽化切割時需要大的功率和功率密度。
　　激光汽化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料（如紙、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。
　　

2）熔化切割
　　激光熔化切割時，用激光加熱使金屬材料熔化，噴嘴噴吹非氧化性氣體（氬氣、氦氣、氮氣等），依靠氣體的強大壓力使液態(tài)金屬排出，形成切口。所需能量約為汽化切割的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屬的切割，如不銹鋼、鈦、鋁及相關(guān)合金等。
　　

3）氧氣切割
　　它是用激光作為預熱熱源，用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用，發(fā)生氧化反應(yīng)，放出大量的氧化熱；另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應(yīng)區(qū)吹出，而切割速度一般大于激光汽化切割和熔化切割。
　　激光氧氣切割主要用于碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。

激光切割的相關(guān)工藝參數(shù)

激光功率及光束聚焦特性

激光輸出功率

  激光輸出功率直接影響激光切割機的性能。通常，隨板厚的增加，所需的激光功率也越大。在同種同厚度板材切割中，激光輸出功率越大，切割速度越快，切割端面也越光滑；但在輸出功率確定后，切割速度須和材料材質(zhì)及其厚度吻合好，此時才能達到最好的切割效果，速度過快和過慢都會影響激光切割的效果。 

激光輸出模式

  單模是指在一條光纖上運行一種波長的模態(tài)，多模是指在一條光纖線上運行一種以上波長的模態(tài)。通常，單模激光光束質(zhì)量好，形成的光斑小，適合進行微加工及薄板切割，且加工精度高；多模激光則適合金屬焊接、工業(yè)零部件熱處理及不銹鋼、鋁、鋼材等厚板材料的高質(zhì)量切割。 

激光輸出及光束聚焦特性

焦點大小及焦深長度

  在激光切割中，焦點位置對材料的切割效果影響很大，不同的材質(zhì)或厚度，激光切割時對應(yīng)不同的焦點位置。

  激光切割中，焦點大小和焦深是影響切割效果和效率的重要因素之一。光束經(jīng)短焦距聚焦鏡后光斑直徑相對較小、焦深短，焦點處功率密度很高，則有利于高速切割薄型材料，且切割精度高。經(jīng)長焦距透鏡后，焦點有較長的焦深，但焦點直徑相對較大，只要具有足夠功率密度，則比較適合切割厚工件。

焦點位置

通常焦點位置

與切割面的關(guān)系

小結(jié)：

  切割薄板時，焦點一般在工件表面處；切割厚板時，不銹鋼焦點通常深入板內(nèi)約為板厚的1/3—1/4處，處于負離焦距范圍；碳鋼時，焦點在其板面上方，且隨板厚度的增加焦點越遠離板面，處于正離焦范圍。

輔助氣體及配置

激光切割機的中，與激光輸出同軸的輔助氣體不但可吹走割縫內(nèi)的熔渣，還能冷卻加工物體表面，減少熱影響區(qū)，冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導致鏡片過熱。

氣體種類與壓力的選擇對切割工藝也有重要的影響。選擇輔助氣體的種類及相應(yīng)氣壓大小的匹配將對切割的性能，包括切割的精度、速度及切割厚度等都會產(chǎn)生一定的影響。

氣體種類        

  一般情況下，激光切割過程都需要使用輔助氣體，氣體的選擇須根據(jù)不同的材質(zhì)來確定。激光切割中通常使用的輔助氣體有氧氣、氮氣、空氣等，其效果及功能如下：

1、氧氣 
  主要用于激光切割機切割碳鋼。利用氧氣反應(yīng)熱大幅面提高切割效率的同時，產(chǎn)生的氧化膜會提高反射材料的光束光譜吸收因數(shù)。切口端面發(fā)黑或者暗黃色。 
  主要適用壓延鋼材，溶接構(gòu)造用壓延鋼材，機械構(gòu)造用碳鋼，高張力版，工具板，不銹鋼，電鍍鋼板，銅，銅合金等。

2、氮氣 
  一些金屬在切割的時候采用氧氣會在切割面上形成氧化膜，采用氮氣就可以進行防止氧化膜出現(xiàn)的無氧化切割。無氧化切割面具有可以直接進行熔接、涂抹，耐腐蝕性強等特點。切口端面發(fā)白。
  主要適用的板材有不銹鋼，電鍍鋼板，黃銅，鋁，鋁合金等。

3、空氣 
  空氣可由空氣壓縮機直接提供，所以與其他氣體相比價格非常便宜。雖然空氣中大約含有20%的氧氣，但是切割效率遠不及氧氣，切割能力與氮氣相近。切割面會出現(xiàn)微量氧化膜，但可作為防止涂膜層脫落的一項措施。切口端面發(fā)黃。
  主要適用的材料有鋁，鋁合金，不銹銅，黃銅，電鍍鋼板，非金屬等。

4、氬氣 
  氬氣為惰性氣體，在激光切割機切割中用于防止氧化和氮化，在熔接中也使用，與其他加工氣體相比，價格粳稻，相應(yīng)增加成本。切口端面發(fā)白。

  主要適用的材料是鈦，鈦合金等。

輔助氣體及配置

氣壓大小及高、低壓    

  一般使用氧氣切割普通碳鋼，低壓打孔，高壓切割；使用空氣切割非金屬，低壓和高壓的壓力可調(diào)為一樣；使用氮氣切割不銹鋼等，低壓氧氣打孔。

  激光切割對輔助氣流的基本要求是：進入切口的氣流量大、速度高，以便有足夠的動量將熔融材料噴射帶出。輔助氣體純度越高，切割的質(zhì)量越好。

  在確保輔助氣體純度的前提下，氣壓的大小也是很重要的因素。如果輔助氣體的壓力匹配不適當，也會對切割效果造成一定影響。激光切割過程中，如果壓力不足，工件切割面處就會產(chǎn)生熔漬，粗糙度增大且切割速度無法提升，從而影響零件的切割效果；如果氣壓偏大，氣流過猛，會造成切割斷面粗糙度增大，切割縫變寬，還會導致切斷部分熔化，無法形成良好的切割質(zhì)量。通常，隨著所切板材厚度的增加，所需輔助氣體的氣壓也逐漸增大。

輔助氣體壓力對切割質(zhì)量的影響

輔助氣體及配置

噴嘴選型

  噴嘴的大小及種類等對切割質(zhì)量和穿孔質(zhì)量有重要的影響，其不僅可防止熔漬雜物往上反彈污染聚焦鏡，還具有控制輔助氣體擴散面積及大小等作用。切割材料時，噴嘴過大或過小都會影響切割效果。切割時，需根據(jù)具體板材材質(zhì)，板厚來具體選配。下表、圖分別為兩組配置噴嘴的切割對說明及不同類型噴嘴示意圖。

小結(jié)：

  一般來說，噴嘴孔徑大小的選配隨切割板材厚度的增加而增大；小孔徑噴嘴可提高切割精度，大孔徑噴嘴則有利于切割較厚板材；通常，不銹鋼、鋁合金等切割采用單層噴嘴，碳鋼、結(jié)構(gòu)鋼等切割采用復合噴嘴。

切割材料性能

材料種類

不同材料對光不同波段的吸收程度不同。當前，多數(shù)光纖激光器的輸出波長為1.064微米，而該波段的激光非常有利于金屬材料的吸收，因而光纖激光在金屬切割、焊接等加工領(lǐng)域展現(xiàn)出了優(yōu)越的能力并得到了廣泛的應(yīng)用。

目前，通常采用光纖激光加工（切割）的金屬材料主要有下面幾種：

不銹鋼：激光對切割不銹鋼來說是個非常有效的加工工具。在控制好激光切割工藝參數(shù)的情況下，可使切邊熱影響區(qū)很小，且切割速度快、效果好。

碳鋼：激光的碳鋼切割是利用激光的氧化熔化切割機制，其切縫可控制在滿意的寬度范圍，對碳鋼板的最大可切厚度為20mm。

鋁及合金：鋁為高反射材料，純鋁因為其高純度切割難度較大；鋁合金由于其成分差異，切割效果差別較大。鋁切割屬于激光的熔化切割機制，輔助氣體主要起從切割區(qū)吹走熔融物的作用，通常可獲得較好的切面質(zhì)量。

銅及合金：銅具有高反射率和良好熱傳導性。黃銅(銅合金)使用較高激光功率加輔助氣體，可以對較薄的板材進行切割；紫銅 (純銅)由于太高的反射率，連續(xù)激光很難切割，脈沖激光可以切割較薄的板材。

鈦及合金：純鈦能很好耦合聚焦激光束轉(zhuǎn)化的熱能，激光切割時輔助氣體通常采用氬氣和氮氣，以防止與氧反應(yīng)產(chǎn)生過燒。

切割材料性能

材料厚度

  激光切割碳鋼板的厚度可達20mm；厚度6mm以下的不銹鋼可以進行激光切割；黃銅、鋁合金薄板可以用氮氣切割，厚板可以用氧氣切割。通常，激光功率越大可切割同種材料的厚度就相對越大；隨板材厚度增加，高反材料切割難度逐漸大。下圖為一臺500w光纖激光器切割不同厚度、不同材質(zhì)時，對應(yīng)最優(yōu)切割效果時的厚度—切割速度的對應(yīng)關(guān)系。

分析:        

  由于不同種材料對光纖激光切割機吸收率不同，因而對同等厚度的不同材質(zhì)的材料有不同的切割速度。受激光器功率影響，不同厚度的同種材料，切割的速度及效果也有顯著不同。切割輔助氣體在切割中也會對切割工藝產(chǎn)生一定的影響。