激光切割技術

張桐

摘 要：本文主要簡述激光切割技術原理，著重介紹主流的幾種激光切割技術，分析激光切割技目前現狀及未來發展狀態。激光加工技術是一種先進制造技術，而激光切割是激光加工應用領域的一部分，激光切割是當前世界上先進的切割工藝。由于它具備精密制造、柔性切割、異型加工、一次成形、速度快、效率高等優點，所以在工業生產中解決了許多常規方法無法解決的難題。激光能切割大多數金屬材料和非金屬材料。

關鍵詞：激光切割技術的應用；激光切割的原理；激光切割的分類及特點術

This article mainly describes the principle of laser cutting technology， highlights several mainstream laser cutting technologies， analyzes the current status and future development of laser cutting technology. Laser processing technology is an advanced manufacturing technology， and laser cutting is a part of laser processing applications. Laser cutting is currently the world's advanced cutting technology. Because it has the advantages of precision manufacturing， flexible cutting， special-shaped processing， one-time forming， high speed， and high efficiency， it solves many problems that cannot be solved by conventional methods in industrial production. Lasers cut most metallic and non-metallic materials.

1概述

激光切割技術主要是利用高功率密度激光束照射被切割材料，在光束焦點處獲得超過104 W/mm2 的功率密度，使材料很快被加熱至汽化溫度，蒸發形成孔洞，隨著光束對材料的移動，孔洞連續形成寬度很窄的（如0.1mm左右）切縫，完成對材料的切割。激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制斷裂三類。激光切割設備除具有一般機床所需有的支承構件、運動部件以及相應的運動控制裝置外，主要還應備有激光加工系統，它是由激光器、聚焦系統和電氣系統三部分組成的。

1激光切割技術的特點

激光切割技術與其他傳統切割方式相比，激光切割有很多的優點，現將其歸納如下：

1.切割縫隙窄，具有良好的切割精度；

2.切割速度快，熱影響區小；

3.激光切割面質量好，切縫邊緣垂直，切邊光滑，不用修正就可以直接進行焊接；

4.切邊沒有機械應力，不產生剪切毛刺和切屑；

5.激光切割不存在刀具損耗現象和接觸能量損耗現象，不需要更換刀具；

6.激光切割可以容易的地切割既硬且脆的材料，如玻璃、陶瓷、PCD復合片和半導體等；也能切割既軟又有彈性的材料，如塑料、橡膠等；

7.光束無慣性，可以實行高速切割；

8.利用激光的特性，能實現多工位操作，容易實現數控自動化。

2 激光切割的方式

2.1激光汽化切割

氣化切割需要很高的功率密度（越106W/mm2），在這樣高的功率密度激光束照射下，材料表面的溫度瞬間升至沸點以上，使部分材料化作蒸汽逸去，部分材料很快成為噴出物從切割縫底部被吹走形成切縫或窄槽，這種方法主要用于不能熔化的材料，如木材、紙張、碳素和某些有機物的切割。

汽化切割過程是：激光束照射在工件表面上，部分光束能量被反射，其余部分能量被處理吸收，隨著材料表面繼續加熱反射率急劇下降，而吸收率快速上升，這是由于材料表面溫度升高產生氧化，改變了表層的電子結構，熱機械應力造成的形變使材料表面形狀發生變化，隨后汽化形成有黑體效應的空洞以及材料表面蒸氣離解成等離子層的綜合結果。這一過程進行得極為迅速，可用公式表示：

μ=Ae-B/t

μ—吸收系數

A、B—實驗常數

t—激光作用時間

2.2熔化切割

熔化切割的的基本過程是：當入射的激光束功率密度超過某一閾值后，會在材料內部產生蒸發。形成孔洞，由于黑體效應孔洞將吸收所有的入射光束能量，小孔被熔化了的金屬壁所包圍，依靠蒸氣流高速流動，使熔壁保持相對穩定，并形成熔化等溫線貫穿被加工材料，然后，由與光束同軸的輔助氣流的噴射壓力將孔洞周圍的熔融物質吹出、去除，當被加工材料按加工要求的軌跡運行移動時，小孔平移并形成一條切縫，激光束隨著被加工材料的移動繼續沿著這條縫的前沿照射，熔化物質持續或脈動地從切縫內被輔助氣體吹掉，形成了熔化機制的切割。熔化切割所需的激光束功率密度約為107W/cm2.。

2.3助氧熔化切割

氧助熔化切割是用氧或者其他活性氣體作為輔助氣流代替熔化切割所用的惰性氣體，由于熱基質的點燃，產生了與激光能并存的另一熱源。氧助熔化切割是由熔化切割派生出的另一類激光切割方法，其機制比較復雜。基本切割過程是材料表面在激光束的照射下，瞬間達到點燃溫度，隨之與氧氣接觸，發生激烈的燃燒反應，放出大量的熱量，在此熱量的作用下，材料內部形成充滿蒸汽的小孔，小孔周圍被熔融金屬壁所包圍，由于蒸汽流的運動使周圍熔融金屬壁向前移動，并發生熱量和物質轉移，燃燒物質轉移成熔渣控制了氧和金屬燃燒的速度，同時氧氣擴散通過熔渣到達點火前沿的速度也對燃燒速度有較大影響，氧氣流速越快，燃燒化學反應和材料去除速度也越快，并且也使切縫出口化學反應產生的氧化物快速冷卻，在未達到燃點溫度的區域，氧氣作為冷凝劑，起縮小熱影響區的作用。

氧助熔化切割同時存在著激光照射能和氧—金屬放熱反應能兩個加熱源。圖 2和圖3為用惰性氣體、氧氣作為輔助氣體的兩種切割方法，分別對不銹鋼和金屬鈦進行激光切割的切割速度示意圖。

很明顯，使用氧氣作為輔助氣體進行激光切割可獲得比使用惰性氣體更高的切割速度。

2.4控制斷裂切割

控制斷裂切割是利用激光技束對易受熱破壞的脆性材料進行加熱，使其高速、可控地被切斷。這種方法的切割過程可以概括為：激光束加熱脆性材料表面的一小塊區域，材料受熱后產生明顯的溫度階梯，材料表面溫度較高要發生膨脹，而材料內層溫度較低，則會阻止其膨脹，結果，內層產生沿徑向的擠壓應力，表層則相對內層產生拉應力，引起嚴重的機械變形。由于脆性材料的抗壓強度要比抗拉強度高得多，因此材料將首先從內部裂開。因為最大的機械變形發生在激光束加熱區域，只要保持均衡的加熱梯度，激光束可引導裂縫在任何需要的方向上產生、延伸。需要注意的是這種切割機制不適合切割銳角和腳邊切縫，也不適合切割特大封閉外形的工件。

3影響切割質量的因素

激光切割的一個顯著特點是對影響加工質量的主要參數可以進行高度有效地控制，使激光切割工件的效果能滿足實際應用要求，并且具有很好的重復性。要使激光切割達到切縫入口處輪廓清晰、切縫窄、切邊熱損傷最小、切邊平行度好、無切割粘渣和切割表面光潔度高的良好質量，必須了解和控制對激光切割影響較大的因素。

3.1光束特性對激光切割質量的影響

3.1.1光束模式的影響

激光束斷面能量分布稱為模式（也稱為模），用TEM表示。光束模式與它的聚焦能力有關，最低階模稱為TEM00，光斑內能量呈高斯曲線分布，如圖2所示，具有這種模式的光束可聚焦到理論上最小的光斑尺寸，直徑可達到百分之幾毫米，并給予最陡、尖的高能量密度，而高階模或多模光束的能量分布比較擴張，經聚焦的光斑尺寸較大，而能量密度較低，與相同功率輸入的低階的模激光束比，不如其“鋒利”。

基模激光束進行切割，因其比較小的光斑和高功率密度，可獲得窄的切縫，平直的切邊和很小的熱區影響。切割區重熔層也最薄，底面粘渣程度最輕，甚至不粘渣。實際切割過程中，最佳的光斑尺寸要根據被切割材料的厚度來確定。如用同一輸出功率激光束切割鋼板，鋼板越厚，激光束光斑尺寸也應適當增大，才能獲得較好的切割質量。

3.1.2聚焦光斑及焦點位置的影響

聚焦光斑直徑D可通過公式計算：

D=2.4Fλ

式中 D—功率強度下降到1/e2中心值時的光斑直徑，μm；

F—所用光學系統系數，對于雙凸鏡，它等于透鏡焦長/入射光束直徑。

與光斑尺寸相聯系的Zs，它表示焦點上下沿光軸中心功率強度超過頂峰強度1/2的那段距離，可用公式計算：

λ—波長；

L—透鏡焦長；

a—光斑半徑；

F—系數，F=L/（2a）。

由公式可知：激光束聚焦后光斑大小與透鏡焦長成正比，F值的選擇應與工件材料的性質、厚度以及激光功率相匹配。聚焦透鏡焦長越短，F值越小，光斑尺寸和焦深也越小，焦點處的功率密度很高，對材料切割越有利；但是焦深小帶來的不利因素是調節余量大小，一般比較合適高速切割薄型材料。對于厚度較大的工件來說，要用較大焦深的長焦長透鏡，只要具備足夠的激光功率密度，就能滿足加工要求。

透鏡焦長，焦深與光斑大小的關系如下圖所示，隨著焦長的加長，聚焦光斑變大，焦深也隨之變長。當增加透鏡焦長，使光斑尺寸加大一倍（即從Y到2Y）時，焦深增加4倍（即從X到4X）。

在F值確定后，由于焦點處于激光功率密度最高，在大多數情況下，切割焦點位置處于工件表面，或稍微低于表面的位置為最佳。在激光切割中，當焦點位置最佳時，切縫最小，效率最高。

3.2光束偏振的影響

用于激光切割的高功率激光器幾乎都具有平面偏振的性質，與任何形式的電磁波傳輸相同，激光束也具有電和磁的分矢量它們相互垂直并與光束運行方向成90°，在切割過程中，光束在切割面上不斷地反射，由于光束偏振，當切割走向不同時，被切割材料吸收光束的能力收到很大的影響，因此，切縫寬度、切邊粗糙度和垂直度的變化都與光束偏振有關。

當切割運行走向與光束偏振位向形成某一偏角時，被切割材料能量吸收減少，使切割速度降低，導致切縫變寬、切邊變粗糙且不平直有斜度；當切割運行走向與光束偏振位向完全垂直時，切邊斜度消失，切割速度更慢，切縫更寬，切割質量顯得更為粗糙。

對于復雜形狀的工件，需要采取控制光束領其形成圓偏振方式的措施，以獲得均勻一致的高質量切縫。目前，常用的做法是：由激光腔發出的光束在聚焦前先經過被稱為圓偏振鏡的特殊鏡片，由線偏振光束轉換為圓偏振光束，從而避免了線偏振光束對切割質量帶來的種種不良影響，即使在高速切割的狀態下，圓偏振光束切割的切面質量仍能在各個方向保持一致，并且消除了切縫底部切面角與切割方向偏離90°的現象。

3.3激光切割速度對激光切割質量的影響

激光切割的基礎依賴于有效的光束功率密度和被切割材料的物理性能。材料的切割速度與有效的激光功率密度成正比，與材料密度和厚度成反比。切割速度對切割質量的影響十分明顯。當切割速度過低時，由于氧燃燒速度高于或等于激光束移動速度，工件被切割邊沿出現明顯的燒傷痕跡，而且切縫較寬，切面也很粗糙，切邊底部的燒傷程度要比頂面更加嚴重。當切割速度逐漸提高進入一定的范圍時，激光束移動速度雖然發生變化，但切縫寬度基本趨于穩定，切邊平行度好，切面呈規則細條紋狀。激光切割通常都在這個范圍內工作，超過這個范圍，繼續提高切割速度，由于缺少光束在切縫內部反射，材料不能被切透。這種切邊斷面呈一定角度的斜條紋狀，熔渣也很難從底部順利排出，使熱影響區明顯擴大。切縫平行邊被破壞，形成楔形邊，以致最后熔渣在凝固前不能被排出，切割徹底失敗。

4 不同材料的激光切割

4.1金屬材料的激光切割通常采用CO2激光器，利用縱流CO2激光器光束質量好的特點。雖然大多數金屬材料在室溫情況下對紅外能量都具有很高的反射率，然而金屬表面的吸收率是隨溫度和氧化程度的升高而迅速增加的。金屬對10.6μm波長的激光束起始吸收率只有0.5%～10%，當具有功率密度106W/cm2的聚焦激光束照射到金屬表面時，能在微秒級時間內使金屬表面達到熔化熔化溫度，處于熔融狀態的大多金屬的吸收率急劇上升，瞬間可以提高到60%～80%。大功率CO2激光器具備金屬切割的條件。

4.2碳鋼的激光激光切割

利用現代激光切割系統切割碳鋼板材的最大厚度已達到20mmy，氧助熔化切割可將碳鋼板材的切縫寬度控制在要求的范圍內，薄板切割時其切縫可達0.1mm左右。切切割過程中的熱影響區很小，對于含碳量較低的鋼材幾乎可以不予考慮。

激光切割碳鋼的切縫光滑，切割面清潔平整，切邊垂直度好。低碳鋼內所含的磷、硫偏析區會引起切邊的熔蝕，造成切割質量的下降。因此，含雜質低的優質冷軋鋼板的切邊質量優于熱軋鋼板。

激光切割含碳量較高的碳鋼時，其切邊質量略有改善，但熱影響區也有所擴大。

激光切割鍍鋅或涂塑薄鋼板（板厚0.5～2.0mm）時，具有較高的切割效率，切縫窄省材料，也不會引起變形。切縫附近的熱影響區小，切縫區的鍍鋅層或塑料涂層不會遭到損壞。

4.3不銹鋼的激光切割

不銹鋼的切割性質與低碳鋼相似，在低的切割速度下不能獲得高的切割質量，其精細切割速度范圍隨激光功率增大而變寬。所不同的是不銹鋼切割需要更高的激光功率和更大的氧壓力。而且，不銹鋼雖可達到較滿意的切割效果，但卻很難獲得完全無粘渣的切縫。

激光切割不銹鋼薄板是一種非常行之有效的加工方法，在切割過程中通過嚴格控制熱輸入，可以使切邊熱影響區減少到很小，從而保證不銹鋼材料的良好耐腐蝕性不遭破壞。

常用的不銹鋼有三種：奧氏體不銹鋼（如1Cr18Ni9Ti）、馬氏體不銹鋼鋼（如Cr13）和鐵素體不銹鋼（如Cr18）。奧氏體不銹鋼中含有鎳元素，它對激光束能量在材料中的耦合和傳輸都有影響。尤其是切割過程中熔融態鎳的黏度較高，會出現熔渣附著在切割背面的現象，對于切割厚度較大的工件時，這種現象更為明顯。馬氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼中均不含鎳，激光切割都可獲得清潔、光滑滑的切邊質量。

4.4合金鋼的激光切割

大多數合金結構鋼和合金工具鋼用激光的方法進行切割都能獲得良好的切邊質量。例如，激光功率為1.7kW、切割速度為1.2m/min時，切割6mm厚的工具鋼和錳鋼均可獲得無粘渣的切縫，并通過測量硬度可以推定，錳鋼切割熱影響區小于0.6mm，切割后硬度增值與機械剪切相似，工具鋼熱影響區在0.3mm以內，最大硬度值為800HV。對于CrN、CrNi-Mo合金結構鋼的激光切割也能獲得優質、清潔的平直切邊。但含鎢的高速鋼和熱獲鋼激光切割時有熔蝕和粘渣現象發生。

5結論

目前國內主要研究方向在鋼板的激光切割工藝方面，少數涉及到有色金屬的切割工藝而國外的激光切割工藝比較成熟。目前的研究領域主要集中在數字模型對切割過程的模擬以及特殊情況下的激光切割，國內學者已經從理論上和大量的試驗結果中研究了影響激光切割加工的相關物理參數及工藝參數。真正要應用到國民生產業仍有距離。另外三維立體多軸數控激光切割已成為趨勢。一方面，要做到高精度，高功率：另一方面還要追求無人化，自動化控制可見技術的發展與生生產實踐的提高有著深刻關系。

參考文獻：

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