激光切割工藝在機(jī)械加工中的應(yīng)用

張忠輝

摘 要：我國社會經(jīng)濟(jì)水平不斷提升，機(jī)械加工行業(yè)獲得了迅猛發(fā)展。激光切割工藝作為機(jī)械加工中的重要技術(shù)，尤其對于硬質(zhì)金屬材料的加工來說，取得了良好的應(yīng)用效果。使用激光切割技術(shù)可以大幅增強(qiáng)機(jī)械加工的效率與質(zhì)量，還可以對復(fù)雜的物料形狀進(jìn)行加工。綜上所述，本文將對激光切割工藝在機(jī)械加工中的應(yīng)用策略進(jìn)行分析，以期增強(qiáng)激光切割工藝的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：激光切割；機(jī)械加工；應(yīng)用策略；發(fā)展趨勢

前言：激光切割工藝作為機(jī)械加工行業(yè)中的主要技術(shù)，是高效的鈑金加工手段，被汽車、船舶、航空、制造、化工等多個行業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。激光切割工藝具備極為廣泛的應(yīng)用前景，隨著我國現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平快速提升，使人們更加重視激光切割工藝在機(jī)械加工中的應(yīng)用效果，從而促進(jìn)我國制造業(yè)獲得進(jìn)一步的發(fā)展。

一、激光切割工藝工作原理與優(yōu)勢解析

（一）激光切割工藝工作原理

激光的主要形式為平行光束，會具備較強(qiáng)的同調(diào)性，還具備單色波長等性能特征。使用激光切割工藝進(jìn)行機(jī)械加工過程中，是利用激光束與物質(zhì)互相作用的特性。在進(jìn)行相關(guān)科學(xué)實驗時，利用電管以電流、光的能量方式對原子內(nèi)含有易激發(fā)物質(zhì)或某晶體進(jìn)行撞擊，在撞擊之后其自身所帶電子將會處于能量較高的狀態(tài)，將高能量電子向低能量電子進(jìn)行轉(zhuǎn)化之后[1]，原子將會產(chǎn)生更加巨大的能量，從而釋放出光子。在這個狀態(tài)下，被釋放的光子會對原子進(jìn)行持續(xù)撞擊，使光子持續(xù)生成光子，這個過程會形成循環(huán)，且向相同的方向進(jìn)行運行，并集中成一束能量極強(qiáng)的光，這便是激光的主要原理，由于激光的能量十分強(qiáng)大，可輕易穿透任何材質(zhì)。

（二）激光切割工藝應(yīng)用在機(jī)械加工中發(fā)揮的優(yōu)勢

在機(jī)械加工過程中經(jīng)常會使用的材料為剛才，使用激光切割工藝可以提升加工效率與質(zhì)量。第一，使用激光切割工藝可以增強(qiáng)加工零件尺寸精度，相比于等離子、手工等傳統(tǒng)加工方式來說，激光切割工藝可以快速對所需零件形狀與尺寸進(jìn)行加工，將精度誤差控制在不超過0.1mm范圍內(nèi)。使用激光切割工藝所加工的零件斷面效果良好，表面較為光滑，可以進(jìn)行更加精密的拼接與配合。第二，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式，激光切割工藝花費的成本較低，雖然購置激光加工機(jī)成本高，但后期投入使用時，會具備加工速度快、能耗低、零件加工合格率高等特點。

二、激光切割工藝類型

激光切割工藝包含多種類型，可以通過激光切割原理與激光切割工藝對其進(jìn)行分類，另外還可以利用組織結(jié)構(gòu)、切割材料等方式進(jìn)行分類。

（一）切割原理類型

1.汽化切割

通過高功率密度激光束的加熱作用下，0.5-6.0mm[2]厚度的材料板表面溫度會迅速提升并達(dá)到沸點，避免熱傳導(dǎo)造成的熔化現(xiàn)象，會使部分材料出現(xiàn)氣化或蒸汽小時的現(xiàn)象，部分材料會成為噴出物從底部的切縫由輔助氣體流吹走。使用汽化切割工藝時，通常使用氮氣或氬氣。

2.高壓氣聚焦熔化切割

在激光束功率密度超過一定值之后，光束的照射點部位材料從內(nèi)部開始蒸發(fā)并形成孔洞，之后其作為黑體會對全部的入射光束能量進(jìn)行吸收。之后熔化的金屬壁會將小孔保衛(wèi)，利用與光束相同軸數(shù)的輔助氣流會將小孔洞周邊的熔融材料吹走，這種辦法使用的切割氣體為氮氣。

3.氧化熔化切割

在使用氧化熔化切割工藝時，經(jīng)常會使用惰性氣體，如果使用氧氣或其他活性氣體，對材料進(jìn)行切割加工時，將會由于激光的照射被點燃，會與氧氣產(chǎn)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)從而生成另一熱源。這種辦法可以獲取較高的切割速度，使用的氣體為氧氣。

（二）激光器類型

1.二氧化碳切割

這種切割工藝會對金屬、紙張、林材、塑料或其他非金屬材料進(jìn)行切割。

2.YAG切割

可對金屬、陶瓷、塑料等材料進(jìn)行切割。

3.光纖激光切割

可對金屬、陶瓷、塑料等進(jìn)行切割。其中包含二氧化碳切割辦法的速度與切割質(zhì)量，還不會花費過高的操作成本，逐漸成為未來激光切割工藝的主要發(fā)展趨勢。

三、激光切割工藝在機(jī)械加工中的應(yīng)用分析

（一）激光功率

對激光功率造成影響的部分為激光器，激光功率與切割速度成正比，即激光功率越大則切割速度越快，還會增強(qiáng)激光切割效果。激光功率不僅會受到自身硬件條件的限制，還會受到外界多種因素的影響，其中包含切割加工材料的性質(zhì)、材料的導(dǎo)熱性能等方面。例如使用激光切割工藝在對表面較為光滑的材料進(jìn)行切割時，會使光反射率較高，從而增強(qiáng)激光的利用效率[3]，達(dá)到更好的切割效果。如果切割材料作為良性熱導(dǎo)體，將會使切割點位的熱量迅速擴(kuò)散到機(jī)械加工材料的其他部位，還會造成熱區(qū)效應(yīng)情況出現(xiàn)，還會造成機(jī)械加工材料變形、切口粗糙等問題。

（二）切割速度

對激光切割工藝的切割速度造成影響的因素較多，例如切割工藝不同、機(jī)械加工材料不同、切割氣體壓力大小等。一般來講，激光能量越高、材料的厚度越小，會使激光切割的氣體壓力越大，切割的速度更快。其中值得注意的是，在使用激光切割工藝進(jìn)行機(jī)械加工過程中，不能僅僅增強(qiáng)激光切割速度，還需要確保激光切割工藝的質(zhì)量。尤其在對精度要求較高的機(jī)械零件進(jìn)行加工時，需要增強(qiáng)激光切割工藝的精確程度，才能為機(jī)械加工零件的可用性提供保障。

（三）氣體壓力

使用激光切割噴吹氣體可以發(fā)揮以下作用：第一，將被切割的金屬材料進(jìn)行熔化，使用噴吹氣體的壓力將液態(tài)的金屬吹走，形成最終切口。第二，對氧助熔化進(jìn)行切割，在切割過程中，氣體會與被切割的金屬材料出現(xiàn)反應(yīng)放熱，為激光切割提供部分能量?？梢姎怏w會對激光切割工藝的質(zhì)量形成較大影響。不同的氣體噴嘴會造成不同的氣體流量。在功率與切割材料板厚度一定的情況下，會形成最優(yōu)的切割氣體流量。無論使用哪一種激光切割方式，都要對氣體壓力進(jìn)行嚴(yán)格、科學(xué)的控制，才能確保氣體在吹出熔化金屬與氧化物的同時，增強(qiáng)切口的整齊性，從而提升激光切割工藝的加工質(zhì)量。

（四）光束質(zhì)量

激光器在輸出光束時，若是將模式調(diào)整為基橫模，將會增強(qiáng)激光切割的加工效率，使用聚焦的方式，可以獲得較小的光斑，還可以增強(qiáng)功率密度。通過對相關(guān)研究數(shù)據(jù)分析可以看出，在進(jìn)行非氧助切割時，切口的寬度會與激光光斑直徑基本相同。光斑的大小程度會與聚焦透鏡焦距為正比。短焦距透鏡會得到直徑較小的光斑，焦深也會較小。焦深小，可以進(jìn)行激光切割的材料板厚度越薄，會對工件表面與透鏡之間的距離進(jìn)行更加嚴(yán)格的要求。在對厚材料板進(jìn)行切割時，需要選擇焦距較大的聚焦透鏡。離焦量會對切割速度與切割深度造成較大的影響，要確保在切割過程中離焦量不能出現(xiàn)變化，可使用負(fù)值作為離焦量。

四、激光切割技術(shù)的發(fā)展趨勢解析

根據(jù)目前激光切割技術(shù)的應(yīng)用情況來看，激光切割技術(shù)的速度不斷提升，未來也會朝多自由度、高智能化等方向進(jìn)行發(fā)展。為了滿足汽車、船舶等行業(yè)領(lǐng)域的立體工件切割需求，三維激光切割機(jī)研發(fā)出更多的5軸、6軸機(jī)，使激光切割工藝效率更高、精度更高、功能性更多。另外激光切割機(jī)器人技術(shù)更加成熟，也被廣泛應(yīng)用在實際機(jī)械加工的過程中。

結(jié)語：使用激光切割工藝進(jìn)行機(jī)械加工，可以增強(qiáng)加工零件的精度，還可以使加工零件表面光滑，為后續(xù)的利用奠定良好基礎(chǔ)。相比于傳統(tǒng)的加工方式，激光切割工藝還會減少成本投入、降低能耗、提升加工效率。在未來，激光切割工藝還會朝智能化等多個方向進(jìn)行發(fā)展，從而促進(jìn)我國機(jī)械加工行業(yè)獲得進(jìn)一步發(fā)展，激光切割工藝也會被更多的行業(yè)領(lǐng)域所應(yīng)用，從而促進(jìn)我國科學(xué)技術(shù)水平不斷提升。

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