激光切割技術(shù)在機(jī)械加工中的應(yīng)用

于一強(qiáng) 張寶貴 楊 琨

（南京凱晟材料科技有限公司，南京 211500）

機(jī)械加工行業(yè)中應(yīng)用激光切割工藝，可有效提高企業(yè)生產(chǎn)水平和生產(chǎn)精度，為機(jī)械零部件的加工應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。在技術(shù)支撐下，激光切割工藝發(fā)展持續(xù)加快，加之工藝研究不斷深入，使得機(jī)械加工行業(yè)迎來新的發(fā)展契機(jī)。文章分析激光切割原理和切割工藝，以提高機(jī)械加工效率，增強(qiáng)企業(yè)發(fā)展活力。

1 激光器原理及其分類

激光器是激光的發(fā)生裝置，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、航空航天、機(jī)械加工、汽車電子、船舶以及前沿科研領(lǐng)域。激光器主要由泵浦源、增益介質(zhì)和光學(xué)諧振腔3 部分組成，如圖1 所示。

圖1 激光器基本結(jié)構(gòu)

泵浦源為激光器提供能量。增益介質(zhì)吸收泵浦源提供的能量，使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，為受激輻射放大的光提供介質(zhì)體系。光學(xué)諧振腔提供了能量激發(fā)的空間，可以反復(fù)反射光線，增強(qiáng)激發(fā)的光，最后釋放激光[1]。

根據(jù)光纖的時(shí)域特性，激光器分為連續(xù)光纖激光器和脈沖光纖激光器。根據(jù)諧振腔的結(jié)構(gòu)差異，激光器分為線形腔光纖激光器、環(huán)形腔光纖激光器和分布反饋式光纖激光器。根據(jù)增益光纖和泵浦方式的不同，激光器分為單包層光纖激光器（纖芯泵浦）和雙包層光纖激光器（包層泵浦）[2]。隨著高端裝備制造業(yè)的發(fā)展，激光技術(shù)因高精度、高效率、低成本等優(yōu)勢(shì)，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[3]。光纖激光器作為第三代激光應(yīng)用技術(shù)的代表，具有高效率、低閾值、低損耗等優(yōu)點(diǎn)，為更緊湊、更小巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可能[4]，逐漸成為工業(yè)加工、醫(yī)療、軍事國(guó)防、航空航天、汽車制造、船舶制造以及科學(xué)研究等領(lǐng)域的主流激光器[5]。

2 激光切割類型

2.1 汽化切割

當(dāng)強(qiáng)烈的激光輻射到工件上時(shí)，會(huì)迅速將材料加熱至沸騰狀態(tài)，使一部分材料變成液態(tài)，而另一部分則會(huì)隨著高溫氣體的流動(dòng)從切削的基礎(chǔ)上排放掉，這時(shí)產(chǎn)生的激光能量比熔融切削的效果大10 倍。激光切割是一種特殊的切割方法，可以融合無法融合的物體，如木頭、橡膠或者其他金屬。激光器向物體的表面發(fā)出激光，其中一部分會(huì)被物體折射，另一部分會(huì)被物體吸收。當(dāng)物體的溫度增加時(shí)，它的折射率逐漸減小。當(dāng)激光束的能量被釋放時(shí)，會(huì)不斷加熱板料，直至表面溫度達(dá)到沸點(diǎn)。這樣蒸汽會(huì)以聲速?gòu)墓ぜ袊娚洹?/p>

2.2 熔化切割

在激光熔化切割技術(shù)中，先利用高能量的激光照射金屬材料，以達(dá)到金屬的熔點(diǎn)使其熔化，再將具有高能量的Ar、N2、He 等不易燃燒的氣體和高能量的壓縮空氣作為推動(dòng)劑推向金屬表面，以實(shí)現(xiàn)高效切削。采用激光熔化技術(shù)可以切割難以被氧化為堅(jiān)硬的金屬。例如，不銹鋼、鈦、鋁及其復(fù)雜組成部分的精確切削，只消耗原本1/10 的激光能量。

2.3 氧化切割

激光氧化切割技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的快速加工。使用的加工工具包括高能的激光束和氧化劑，可以將氧氣加速到物體的表層，然后將其轉(zhuǎn)化為可以被分離的小顆粒。使用激光技術(shù)可以將鋼鐵（如碳鋼、鈦鋼）表面進(jìn)行高效的氧化處理[6]，從而提高其表面質(zhì)量。與傳統(tǒng)的汽化或焊接技術(shù)相比，該技術(shù)效率更高，同時(shí)不會(huì)消耗太多的能量。

3 激光切割應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 提升零件加工精度

機(jī)械加工環(huán)節(jié)應(yīng)用激光切割工藝，可進(jìn)一步提升零部件加工精度，確保零部件尺寸符合相應(yīng)要求[7]。與傳統(tǒng)加工模式如等離子加工或人工加工等相比，激光切割工藝可將加工零件形狀與尺寸偏差控制在適宜范圍，提高加工精度，保證零件斷面整齊性，提升零部件表面光滑性，為后續(xù)拼接與組裝等提供便利，優(yōu)化加工流程，省去打磨加工環(huán)節(jié)，保障焊接作業(yè)有序進(jìn)行，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2 降低機(jī)械加工成本

與傳統(tǒng)機(jī)械加工模式相比，應(yīng)用激光切割工藝可有效降低加工成本，提升加工水平，滿足企業(yè)發(fā)展需求。在激光器引進(jìn)環(huán)節(jié)，隨著我國(guó)技術(shù)水平的提高，激光器功率由千瓦級(jí)到萬瓦級(jí)不斷提高，且價(jià)格逐漸走低，降低了企業(yè)投入成本。使用激光器可以有效提高加工效率和加工精度，降低能源消耗水平，保證零件合格率，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)效益。同時(shí)，激光器的使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)，可降低設(shè)備維修成本。

3.3 提高機(jī)械加工水平

在機(jī)械加工環(huán)節(jié)應(yīng)用激光切割工藝，可為零件成型加工提供便利，提高產(chǎn)品精加工水平。例如，激光切割工藝對(duì)金屬表面進(jìn)行熱處理，可實(shí)現(xiàn)金屬激光焊接，提高生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)質(zhì)量，為企業(yè)發(fā)展提供助力。激光切割工藝也有助于滿足加工精度要求，提高機(jī)械零件的應(yīng)用水平。

隨著60 000 W 激光切割設(shè)備的問世，中厚板重新被定義。過去20 mm、30 mm 碳鋼都屬于比較難加工的厚板，但現(xiàn)在將30 mm 的板材重新定義為薄板。因?yàn)?0 000 W 切割30 mm 碳鋼板速度可以達(dá)到5 m·min-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于等離子、火焰等切割方式。目前，60 000 W 切割的極限厚度已經(jīng)超過300 mm，切割范圍也已經(jīng)超過火焰切割，因此可以全面替代等離子和火焰切割。激光器功率的提升極大地提高了機(jī)械加工水平，為機(jī)械加工/鈑金加工帶來了歷史性變革[8]。

4 激光切割工藝

激光切割的效果受到許多因素的影響，包括但不限于輸入的能量、轉(zhuǎn)換的頻率、調(diào)節(jié)的距離、使用的輔助材料以及氣體的壓力。激光切割質(zhì)量要求主要有割縫窄、切割邊緣熱影響小、切口邊緣平行度好、切割無掛渣以及切割面光滑。激光切割質(zhì)量影響因素很多，因此在實(shí)際加工中如何快速方便確定加工工藝參數(shù)是一項(xiàng)重要工作[9]。

4.1 激光功率

在切割工藝應(yīng)用過程中，激光器不同，激光功率也存在一定差異。若激光功率相對(duì)較高，切割速率也會(huì)較高，有助于提升切割成效。激光功率不僅受設(shè)備儀器等影響，而且會(huì)受到外在條件的影響，如切割材料性質(zhì)等。若切割材料表面相對(duì)光滑，激光在材料表面反射率相對(duì)較高，激光被反射到激光器內(nèi)部易損壞激光器，因此激光器抗反射性能尤為重要。若切割材料導(dǎo)熱性相對(duì)較好，隨著激光切割的進(jìn)行，熱量會(huì)從切割面?zhèn)鬟f到材料內(nèi)部，引發(fā)材料熱變形問題，對(duì)機(jī)械零部件的應(yīng)用造成不良影響[10]。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)分析被加工材料性能，針對(duì)切割精度要求，選取合適的激光器，提升切割水平，推動(dòng)機(jī)械加工目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

4.2 切割速度

對(duì)于給定的激光功率密度和材料，切割速度符合一個(gè)經(jīng)驗(yàn)式。只要切割速度在通閾值以上，材料的切割速度與激光功率密度將成正比，即增加功率密度可提高切割速度。切割速度與被切割材料的密度（比重）和厚度成反比。當(dāng)切割速度太低時(shí)，激光傳遞更多的熱量使切口變寬，切口兩側(cè)熔融的材料在底緣聚集并凝固，形成不易清理的掛渣，且切口上緣因加熱熔化過多而形成圓角。適當(dāng)提高切割速度能改善切口質(zhì)量，即切縫變窄，切口表面更平整，同時(shí)可減小變形。切割速度過快時(shí)，切割的線能量低于所需的量值，切縫中射流不能快速將熔化的切割熔體立即吹掉而形成較大的后拖量。隨著切口掛渣，切口表面質(zhì)量下降。

4.3 氣體壓力

在選擇輔助氣體時(shí)，其壓力的大小對(duì)于獲得優(yōu)質(zhì)的激光切割效果至關(guān)重要，直接影響切割速度和掛渣量。此外，不同種類的材料和同一種類型不同厚度的材料，所需的輔助氣體種類和壓力也會(huì)有所差異。因此，在選擇輔助氣體時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮。在切割過程中，輔助氣體的作用是吹除割縫中的熔渣，在提高加工能力的同時(shí)保證良好的切割質(zhì)量。輔助氣體還可以冷卻割縫區(qū)域，減少熱影響區(qū)，減小板材熱變形。當(dāng)使用氧氣進(jìn)行激光切割時(shí)，輔助氣體氧氣既可以幫助金屬材料熔化，又可以通過施加氣體壓力來驅(qū)散液態(tài)金屬，從而提高切割效率。通過使用氧氣還可以使得金屬和空氣之間產(chǎn)生氧化反應(yīng)，從而產(chǎn)生大量熱量，幫助完成切割過程。

4.4 焦點(diǎn)位置

激光切割工作中，焦點(diǎn)位置即離焦量的變化對(duì)激光切割質(zhì)量有直接影響。在一定板厚和切割功率條件下，選擇最佳的焦點(diǎn)位置。在此范圍內(nèi)，切縫寬度小且穩(wěn)定，切割質(zhì)量高。不同焦點(diǎn)位置激光切割的特點(diǎn)不同。第一，零離焦切割。工件上下表面光滑度不同，貼近焦點(diǎn)的切割面相對(duì)光滑，而遠(yuǎn)離切割焦點(diǎn)的下表面顯得粗糙。第二，正離焦切割。加工材料表面的激光束照射范圍變寬，切縫內(nèi)的光束出現(xiàn)擴(kuò)散角，使切縫寬度擴(kuò)大 。

5 結(jié)語

近年來，機(jī)械加工行業(yè)可使用的技術(shù)類型逐漸增加，如何提升加工精度，保障生產(chǎn)加工方案的落實(shí)值得深入研究。激光切割在加工效率、加工質(zhì)量與生產(chǎn)維護(hù)成本等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，獲得了廣泛應(yīng)用。在實(shí)際的激光切割中，影響切割質(zhì)量的因素很多。隨著激光產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，需要不斷提高激光器的應(yīng)用水平，充分發(fā)揮激光切割工藝的應(yīng)用價(jià)值，掌握工藝應(yīng)用要點(diǎn)，進(jìn)一步提高機(jī)械加工質(zhì)量。