淺析激光切割技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

馬志剛

摘 要：基于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新形勢(shì)下，我國(guó)機(jī)械制造領(lǐng)域得到了快速穩(wěn)定發(fā)展。激光切割技術(shù)科學(xué)高效應(yīng)用作為現(xiàn)代機(jī)械制造過(guò)程中的重中之重，是一項(xiàng)必不可缺的關(guān)鍵內(nèi)容，直接關(guān)系到機(jī)械制造生產(chǎn)質(zhì)量和效率。因此，機(jī)械制造企業(yè)要高度重視發(fā)揮出激光切割技術(shù)的價(jià)值作用，不斷加大對(duì)激光切割技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)力度，完善我國(guó)機(jī)械制造工作體系，促使各項(xiàng)機(jī)械產(chǎn)品制造水平能夠得到全面提升。本文將進(jìn)一步對(duì)激光切割技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用展開(kāi)分析與探討，旨在為同行業(yè)者提供科學(xué)參考意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：激光切割技術(shù) 機(jī)械制造 實(shí)踐應(yīng)用

Analysis of the Application of Laser Cutting Technology in Mechanical Manufacturing

Ma Zhigang

Abstract：Based on the new situation of social and economic development， my country's machinery manufacturing field has achieved rapid and stable development. The scientific and efficient application of laser cutting technology， as the top priority in the modern machinery manufacturing process， is an indispensable key content， which is directly related to the quality and efficiency of machinery manufacturing. Therefore， machinery manufacturing enterprises must attach great importance to the value of laser cutting technology， continue to increase the innovative research and development of laser cutting technology， improve my country's machinery manufacturing work system， and promote the overall improvement of the manufacturing level of various mechanical products. This article will further analyze and discuss the application of laser cutting technology in mechanical manufacturing， aiming to provide scientific reference opinions for the same industry.

Key words：laser cutting technology， mechanical manufacturing， practical application

1 引言

激光切割技術(shù)實(shí)質(zhì)是指科學(xué)應(yīng)用聚焦而成的高能量密度激光束將機(jī)械工件熔化或者汽化，并在輔助氣體作用下促使熔化物或者氧化物吹除而成切口完成一系列切割操作。當(dāng)前在機(jī)械制造領(lǐng)域激光切割技術(shù)已經(jīng)成為了一種應(yīng)用較為廣泛和成熟完善的激光加工新技術(shù)，各大機(jī)械制造企業(yè)要想提高自身在市場(chǎng)上的核心競(jìng)爭(zhēng)力，就必須合理引進(jìn)應(yīng)用該項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)各項(xiàng)機(jī)械器件加工水平的有效提升，推動(dòng)我國(guó)工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)建設(shè)穩(wěn)定持續(xù)的發(fā)展。

2 激光切割技術(shù)的主要類型

2.1 汽化切割

汽化切割是激光切割技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的一種切割形式，該種切割技術(shù)所采用激光功率密度較高，一旦將該激光照射在機(jī)械工件上，除了少部分會(huì)被反射外，大部分會(huì)被成功吸收轉(zhuǎn)化為熱能，促使工件表面在短時(shí)間達(dá)到沸騰溫度，并在其表面形成鑰匙扣。此外基于表面氧化等作用下，吸收率會(huì)大幅度提升，噴出的蒸汽會(huì)有效帶走大量的熔融材料，促使材料汽化成切口。汽化切割技術(shù)通常被應(yīng)用在脈沖激光，機(jī)械制造加工人員會(huì)利用其切割那些不融化的材料、塑料、木料以及陶瓷劃片等。

2.2 熔化切割

熔化切割對(duì)于激光功率也有一定的要求，必須達(dá)到能夠在工件表面切割加工形成鑰匙扣，與汽化切割不同的是，熔化切割下的熔化物不是依靠氣化過(guò)程清除，而是需要運(yùn)用到輔助氣體進(jìn)行有效吹除。熔化切割不會(huì)面臨著蒸汽對(duì)激光束的發(fā)射和吸收問(wèn)題，激光束在切口間隙內(nèi)移動(dòng)時(shí)只與前側(cè)的材料相互作用。此外，因?yàn)槿刍懈钚问较碌募す馐渡涞绞芄夤ぜ牧闲泵嫔浣瞧?，?shí)際吸收激光能量無(wú)法持續(xù)維持熔化[1]，所以熔化過(guò)程需要逐步進(jìn)行，并且最終切割會(huì)形成波浪形花紋。熔化切割采用的激光功率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于汽化切割，其主要被應(yīng)用在能夠與氧發(fā)生放熱反應(yīng)的材料，像常見(jiàn)的鋁、銅等，運(yùn)用到的輔助氣體包括了各種惰性氣體、不活潑氣體。

2.3 反應(yīng)熔化切割

反應(yīng)熔化切割實(shí)質(zhì)是指通過(guò)運(yùn)用激光束將工件材料有效加熱到燃點(diǎn)，并基于工業(yè)純氧與材料產(chǎn)生放熱反應(yīng)，最終釋放出大量熱量，切口處材料會(huì)氧化燃燒生成熔融氧化物后，被吹除形成切口的同時(shí)，其釋放出來(lái)的熱量還可以供給相鄰材料，致使其他材料同樣能夠達(dá)到燃點(diǎn)，這樣一來(lái)就能夠保證反應(yīng)熔化切割的連續(xù)進(jìn)行。反應(yīng)熔化切割所需的激光功率更小，只有汽化切割的1/20，其被機(jī)械制造企業(yè)廣泛應(yīng)用在對(duì)于鋼與鈦材料的切割。

3 激光切割技術(shù)的發(fā)展

激光切割技術(shù)當(dāng)前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中，并且還在不斷朝著新的方向發(fā)展。比如，機(jī)械制造領(lǐng)域中所運(yùn)用的電弧輔助激光切割技術(shù)，其通過(guò)利用激光照射到機(jī)械工件背面，促使其能夠在上面有效產(chǎn)生熱點(diǎn)，然后保證電弧更為集中。基于電弧輔助激光切割作用下，電弧能量能夠最大程度提升殘?jiān)牧鲃?dòng)性，這樣一來(lái)就能夠?qū)崿F(xiàn)激光切割速度的急劇上升。一般情況下當(dāng)機(jī)械制造加工人員在利用電弧輔助激光切割技術(shù)對(duì)厚度為4mm的低碳鋼板進(jìn)行切割操作時(shí)，其實(shí)際激光功率會(huì)達(dá)到1500W，電弧功率則會(huì)達(dá)到3000W。而當(dāng)氧氣壓力達(dá)到一定量時(shí)，激光切割速度將會(huì)來(lái)到52mm/s。又比如，在1988年首次提出來(lái)的水冷敷激光切割技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)在激光切割過(guò)程中會(huì)運(yùn)用到二氧化碳激光器展開(kāi)對(duì)2mm鋼板的高速切割，并且切割時(shí)保持一定量的水壓，激光束為1mm時(shí)其切割加水冷卻則能夠達(dá)到相應(yīng)數(shù)值。高功率CO激光切割技術(shù)通過(guò)使用CO2激光器[2]，實(shí)際波長(zhǎng)達(dá)到了10.6μm。在機(jī)械制造加工過(guò)程中由于工件金屬對(duì)10.6μm波長(zhǎng)的激光發(fā)射率高，因此機(jī)械制造加工人員更加希望能夠運(yùn)用波長(zhǎng)更短的激光。CO激光波長(zhǎng)為5μm，并且其功率已經(jīng)達(dá)到了超過(guò)數(shù)千萬(wàn)瓦的水平。在相同功率下，通過(guò)使用CO2激光切割只能夠切割厚度為20mm的低碳鋼板，而當(dāng)工作人員使用CO激光切割時(shí)則能夠有效切割厚度為70mm的低碳鋼板，由此可見(jiàn)該項(xiàng)激光切割技術(shù)有著更好的發(fā)展前景。

4 激光切割技術(shù)在機(jī)械制造中的實(shí)踐應(yīng)用

激光切割技術(shù)時(shí)通過(guò)運(yùn)用高能量密度的激光束照射機(jī)械工件，促使激光束照射區(qū)域的溫度大幅度上升，這樣工件材料就會(huì)在汽化后蒸汽會(huì)快速排出，亦或者是融化后在其他輔助氣體作用下排出熔渣和液態(tài)材料，最終形成切縫。激光切割技術(shù)可被實(shí)踐應(yīng)用在對(duì)鈦合金、鋼材以及鋁合金等不同金屬材料中，也能夠用來(lái)加工制作玻璃、塑料以及陶瓷等非金屬材料。激光切割操作屬于是無(wú)接觸加工，機(jī)械工件不會(huì)產(chǎn)生變形。激光作用在工件上的切口較為細(xì)窄，并且切縫處表面能夠保持良好的光潔美觀性。此外，激光切割在機(jī)械制造中的應(yīng)用還具有切割效率快、柔性高以及成本低的優(yōu)勢(shì)特征。因此，現(xiàn)代機(jī)械制造企業(yè)要高度重視發(fā)揮出該項(xiàng)先進(jìn)加工制造技術(shù)的作用，全面提升機(jī)械工件制造加工水平。

4.1 激光切割技術(shù)應(yīng)用于金屬工件加工

當(dāng)機(jī)械制造人員在對(duì)金屬工件進(jìn)行加工作業(yè)時(shí)，通常情況下會(huì)采用小批量多品種展開(kāi)代替沖壓。而如果是面對(duì)批量小于5萬(wàn)的情況是，那么機(jī)械制造加工人員就可以優(yōu)先選擇使用激光切割技術(shù)展開(kāi)金屬工件的加工生產(chǎn)，這樣能夠幫助企業(yè)在最低成本下創(chuàng)造出最大的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)企業(yè)制造生產(chǎn)建設(shè)穩(wěn)定持續(xù)的發(fā)展。一般情況下激光切割技術(shù)去加工金屬工件的精度能夠達(dá)到0.1mm左右，該精確度已經(jīng)超過(guò)了傳統(tǒng)模具對(duì)金屬工件的加工精度[3]。比如，在我國(guó)汽車市場(chǎng)中就存在汽車制造商通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用先進(jìn)的激光切割技術(shù)展開(kāi)對(duì)小批量多品種鋼板零件的加工制造，并且能夠取得不錯(cuò)的切割加工效果。與此同時(shí)，一些機(jī)械制造企業(yè)在加工生產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)會(huì)熱氣構(gòu)件、直升飛機(jī)葉片等金屬工件時(shí)，也都會(huì)運(yùn)用到激光切割技術(shù)。

4.2 激光切割技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械模具制造

機(jī)械制造企業(yè)通過(guò)利用激光切割技術(shù)去切割6mm以下鋼板時(shí)，通常能夠達(dá)到不錯(cuò)的精度。在機(jī)械制造加工過(guò)程中，激光切割技術(shù)被廣泛應(yīng)用在機(jī)械模具制造生產(chǎn)中，其主要表現(xiàn)為以下幾方面內(nèi)容：（1）機(jī)械制造加工人員通過(guò)使用激光切割技術(shù)切割加工鋼板制造疊層模具。機(jī)械制造加工人員可以利用激光切割6mm以下鋼板達(dá)到高精度的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，去研制生產(chǎn)出疊層模具。該激光模具成本通常只有傳統(tǒng)模具的三分之一，因此其能夠幫助機(jī)械制造企業(yè)創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)效益。比如，日本著名田村工機(jī)公司使用疊層模具用以沖制3.2mm以下的低碳鋼制品，其精度能夠有效達(dá)到±0.01mm;（2）機(jī)械制造加工人員通過(guò)使用激光切割技術(shù)切割加工制造薄板疊成的三維成型模具。在應(yīng)用激光切割技術(shù)的同時(shí)，工作人員需要操作計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件和計(jì)算機(jī)輔助制造軟件進(jìn)行對(duì)三維成型模具的制造加工，該種成型模具被廣泛應(yīng)用在金屬模鑄造和塑料成型中。

4.3 激光切割技術(shù)應(yīng)用于非金屬材料制品

通過(guò)將激光切割技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用在非金屬材料制品加工中，能夠最大程度減少制品加工制作時(shí)間，并且充分保障非金屬工件的制作加工質(zhì)量。與傳統(tǒng)板材加工技術(shù)相比較，激光切割技術(shù)的應(yīng)用能夠有效提升切割速度，并確?？梢愿鶕?jù)制品形狀要求切割任意形狀，不會(huì)留下過(guò)寬的切口。一般情況下，非金屬材料對(duì)于激光的吸收率是較高的，其對(duì)激光切割技術(shù)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)無(wú)疑具備更好的基礎(chǔ)條件。就比如，模板激光切割加工、金剛石拉絲磨損后再生、手表寶石打出軸孔等都是非金屬材料制品的激光切割技術(shù)應(yīng)用較為典型的實(shí)踐案例[4]?，F(xiàn)代機(jī)械制造加工廠可以根據(jù)自身產(chǎn)品制作質(zhì)量要求，合理引進(jìn)應(yīng)用自身需求的激光切割技術(shù)，幫助機(jī)械制造加工人員更好提升成品制作加工質(zhì)量，并減少他們的工作任務(wù)量。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在科學(xué)技術(shù)發(fā)展如此發(fā)達(dá)的今天，激光切割技術(shù)的創(chuàng)新完善發(fā)展已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代機(jī)械制造企業(yè)要有效樹(shù)立起先進(jìn)的生產(chǎn)工作理念，注重引進(jìn)應(yīng)用各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，完善機(jī)械生產(chǎn)加工體系，提高自身的機(jī)械工件加工制造水平。激光切割技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)的機(jī)械制造加工技術(shù)，有著切割效率高、精度高以及質(zhì)量高的優(yōu)勢(shì)，因此廣大企業(yè)要加強(qiáng)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的深入研究應(yīng)用工作，確保能夠最大程度發(fā)揮出其實(shí)際價(jià)值作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝喜海，吳若梅，張繼江.激光切割技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用及發(fā)展[J].綜述，2018（03）：54-56.

[2]張立柱.淺析激光切割技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用及發(fā)展[J].技術(shù)管理，2019（08）：23-26.

[3]黃詩(shī)君，張宏超.激光技術(shù)在材料加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].機(jī)床與液壓，2017（05）：89-90.

[4]鮮光斌，許小寶，羅琳，等.激光切割技術(shù)在沖壓行業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)[J].模具制造，2018（12）：41-42.