激光切割技術(shù)

張桐

摘 要：本文主要簡述激光切割技術(shù)原理，著重介紹主流的幾種激光切割技術(shù)，分析激光切割技目前現(xiàn)狀及未來發(fā)展?fàn)顟B(tài)。激光加工技術(shù)是一種先進(jìn)制造技術(shù)，而激光切割是激光加工應(yīng)用領(lǐng)域的一部分，激光切割是當(dāng)前世界上先進(jìn)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(yōu)點，所以在工業(yè)生產(chǎn)中解決了許多常規(guī)方法無法解決的難題。激光能切割大多數(shù)金屬材料和非金屬材料。

關(guān)鍵詞：激光切割技術(shù)的應(yīng)用；激光切割的原理；激光切割的分類及特點術(shù)

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(shù)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(fā)形成孔洞，隨著光束對材料的移動，孔洞連續(xù)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(shè)備除具有一般機(jī)床所需有的支承構(gòu)件、運(yùn)動部件以及相應(yīng)的運(yùn)動控制裝置外，主要還應(yīng)備有激光加工系統(tǒng)，它是由激光器、聚焦系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)三部分組成的。

1激光切割技術(shù)的特點

激光切割技術(shù)與其他傳統(tǒng)切割方式相比，激光切割有很多的優(yōu)點，現(xiàn)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(qū)小；

3.激光切割面質(zhì)量好，切縫邊緣垂直，切邊光滑，不用修正就可以直接進(jìn)行焊接；

4.切邊沒有機(jī)械應(yīng)力，不產(chǎn)生剪切毛刺和切屑；

5.激光切割不存在刀具損耗現(xiàn)象和接觸能量損耗現(xiàn)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(fù)合片和半導(dǎo)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(xiàn)多工位操作，容易實現(xiàn)數(shù)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(jī)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(xù)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(chǎn)生氧化，改變了表層的電子結(jié)構(gòu)，熱機(jī)械應(yīng)力造成的形變使材料表面形狀發(fā)生變化，隨后汽化形成有黑體效應(yīng)的空洞以及材料表面蒸氣離解成等離子層的綜合結(jié)果。這一過程進(jìn)行得極為迅速，可用公式表示：

μ=Ae-B/t

μ—吸收系數(shù)

A、B—實驗常數(shù)

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(dāng)入射的激光束功率密度超過某一閾值后，會在材料內(nèi)部產(chǎn)生蒸發(fā)。形成孔洞，由于黑體效應(yīng)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(wěn)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(zhì)吹出、去除，當(dāng)被加工材料按加工要求的軌跡運(yùn)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(xù)沿著這條縫的前沿照射，熔化物質(zhì)持續(xù)或脈動地從切縫內(nèi)被輔助氣體吹掉，形成了熔化機(jī)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(zhì)的點燃，產(chǎn)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(jī)制比較復(fù)雜?；厩懈钸^程是材料表面在激光束的照射下，瞬間達(dá)到點燃溫度，隨之與氧氣接觸，發(fā)生激烈的燃燒反應(yīng)，放出大量的熱量，在此熱量的作用下，材料內(nèi)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(yùn)動使周圍熔融金屬壁向前移動，并發(fā)生熱量和物質(zhì)轉(zhuǎn)移，燃燒物質(zhì)轉(zhuǎn)移成熔渣控制了氧和金屬燃燒的速度，同時氧氣擴(kuò)散通過熔渣到達(dá)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(xué)反應(yīng)和材料去除速度也越快，并且也使切縫出口化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧化物快速冷卻，在未達(dá)到燃點溫度的區(qū)域，氧氣作為冷凝劑，起縮小熱影響區(qū)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(yīng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(qū)域，材料受熱后產(chǎn)生明顯的溫度階梯，材料表面溫度較高要發(fā)生膨脹，而材料內(nèi)層溫度較低，則會阻止其膨脹，結(jié)果，內(nèi)層產(chǎn)生沿徑向的擠壓應(yīng)力，表層則相對內(nèi)層產(chǎn)生拉應(yīng)力，引起嚴(yán)重的機(jī)械變形。由于脆性材料的抗壓強(qiáng)度要比抗拉強(qiáng)度高得多，因此材料將首先從內(nèi)部裂開。因為最大的機(jī)械變形發(fā)生在激光束加熱區(qū)域，只要保持均衡的加熱梯度，激光束可引導(dǎo)裂縫在任何需要的方向上產(chǎn)生、延伸。需要注意的是這種切割機(jī)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(zhì)量的因素

激光切割的一個顯著特點是對影響加工質(zhì)量的主要參數(shù)可以進(jìn)行高度有效地控制，使激光切割工件的效果能滿足實際應(yīng)用要求，并且具有很好的重復(fù)性。要使激光切割達(dá)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(zhì)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(zhì)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(guān)，最低階模稱為TEM00，光斑內(nèi)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(dá)到百分之幾毫米，并給予最陡、尖的高能量密度，而高階?；蚨嗄９馐哪芰糠植急容^擴(kuò)張，經(jīng)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(jìn)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(qū)影響。切割區(qū)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(jù)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(yīng)適當(dāng)增大，才能獲得較好的切割質(zhì)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(qiáng)度下降到1/e2中心值時的光斑直徑，μm；

F—所用光學(xué)系統(tǒng)系數(shù)，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(lián)系的Zs，它表示焦點上下沿光軸中心功率強(qiáng)度超過頂峰強(qiáng)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(shù)，F(xiàn)=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(xiàn)值的選擇應(yīng)與工件材料的性質(zhì)、厚度以及激光功率相匹配。聚焦透鏡焦長越短，F(xiàn)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(diào)節(jié)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(guān)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(dāng)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(shù)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(dāng)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(zhì)，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(yùn)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(dāng)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(guān)。

當(dāng)切割運(yùn)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(dǎo)致切縫變寬、切邊變粗糙且不平直有斜度；當(dāng)切割運(yùn)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(zhì)量顯得更為粗糙。

對于復(fù)雜形狀的工件，需要采取控制光束領(lǐng)其形成圓偏振方式的措施，以獲得均勻一致的高質(zhì)量切縫。目前，常用的做法是：由激光腔發(fā)出的光束在聚焦前先經(jīng)過被稱為圓偏振鏡的特殊鏡片，由線偏振光束轉(zhuǎn)換為圓偏振光束，從而避免了線偏振光束對切割質(zhì)量帶來的種種不良影響，即使在高速切割的狀態(tài)下，圓偏振光束切割的切面質(zhì)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(xiàn)象。

3.3激光切割速度對激光切割質(zhì)量的影響

激光切割的基礎(chǔ)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(zhì)量的影響十分明顯。當(dāng)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(xiàn)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(yán)重。當(dāng)切割速度逐漸提高進(jìn)入一定的范圍時，激光束移動速度雖然發(fā)生變化，但切縫寬度基本趨于穩(wěn)定，切邊平行度好，切面呈規(guī)則細(xì)條紋狀。激光切割通常都在這個范圍內(nèi)工作，超過這個范圍，繼續(xù)提高切割速度，由于缺少光束在切縫內(nèi)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(qū)明顯擴(kuò)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(zhì)量好的特點。雖然大多數(shù)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(dāng)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(nèi)使金屬表面達(dá)到熔化熔化溫度，處于熔融狀態(tài)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(xiàn)代激光切割系統(tǒng)切割碳鋼板材的最大厚度已達(dá)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(nèi)，薄板切割時其切縫可達(dá)0.1mm左右。切切割過程中的熱影響區(qū)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(nèi)所含的磷、硫偏析區(qū)會引起切邊的熔蝕，造成切割質(zhì)量的下降。因此，含雜質(zhì)低的優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板的切邊質(zhì)量優(yōu)于熱軋鋼板。

激光切割含碳量較高的碳鋼時，其切邊質(zhì)量略有改善，但熱影響區(qū)也有所擴(kuò)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(qū)小，切縫區(qū)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(zhì)與低碳鋼相似，在低的切割速度下不能獲得高的切割質(zhì)量，其精細(xì)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(dá)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(yán)格控制熱輸入，可以使切邊熱影響區(qū)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(tài)鎳的黏度較高，會出現(xiàn)熔渣附著在切割背面的現(xiàn)象，對于切割厚度較大的工件時，這種現(xiàn)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(zhì)量。

4.4合金鋼的激光切割

大多數(shù)合金結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼用激光的方法進(jìn)行切割都能獲得良好的切邊質(zhì)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(qū)小于0.6mm，切割后硬度增值與機(jī)械剪切相似，工具鋼熱影響區(qū)在0.3mm以內(nèi)，最大硬度值為800HV。對于CrN、CrNi-Mo合金結(jié)構(gòu)鋼的激光切割也能獲得優(yōu)質(zhì)、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(xiàn)象發(fā)生。

5結(jié)論

目前國內(nèi)主要研究方向在鋼板的激光切割工藝方面，少數(shù)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(lǐng)域主要集中在數(shù)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(nèi)學(xué)者已經(jīng)從理論上和大量的試驗結(jié)果中研究了影響激光切割加工的相關(guān)物理參數(shù)及工藝參數(shù)。真正要應(yīng)用到國民生產(chǎn)業(yè)仍有距離。另外三維立體多軸數(shù)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(shù)的發(fā)展與生生產(chǎn)實踐的提高有著深刻關(guān)系。

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