一激光切割的主要特性
1激光切割的切縫窄，工件變形小
激光束聚焦成很小的光點(diǎn)，使焦點(diǎn)處達(dá)到很高的功率密度。這時(shí)光束輸入的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被材料反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)散的部分，材料很快加熱至汽化程度，蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對(duì)線性移動(dòng)，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫。切邊受熱影響很小，基本沒有工件變形。
切割過程中還添加與被切材料相適合的輔助汽體。鋼切割時(shí)利用氧作為輔助汽體與熔融金屬產(chǎn)生放熱化學(xué)反應(yīng)氧化材料，同時(shí)幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣。切割聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣，棉、紙等易燃材料切割使用惰性汽體。進(jìn)入噴嘴的輔助汽體還能冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進(jìn)入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導(dǎo)致鏡片過熱。
大多數(shù)有機(jī)與無機(jī)材料都可以用激光切割。在工業(yè)制造系統(tǒng)占有份量很重的金屬加工業(yè)，許多金屬材料，不管它是什么樣的硬度，都可以進(jìn)行無變形切割。當(dāng)然，對(duì)高反射率材料，如金、銀、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導(dǎo)體，因此激光切割很困難，甚至不能切割。
激光切割無毛刺、皺折、精度高，優(yōu)于等離子切割。對(duì)許多機(jī)電制造行業(yè)來說，由于微機(jī)程序控制的現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件，它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用；盡管它加工速度還慢于模沖，但它沒有模具消耗，無須修理模具，還節(jié)約更換模具時(shí)間，從而節(jié)省了加工費(fèi)用，降低了生產(chǎn)成本，所以從總體上考慮是更合算的。
另一方面，從如何使模具適應(yīng)工件設(shè)計(jì)尺寸和形狀變化角度看，激光切割也可發(fā)揮其精確、重現(xiàn)性好的優(yōu)勢(shì)。作為層疊模具的優(yōu)先制造手段，由于不需要高級(jí)模具制作工，激光切割運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用也并不昂貴，因此還能明顯的降低模具制造費(fèi)用。激光切割模具還帶來的附加好處是模具切邊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)淺硬化層（熱影響區(qū)），提高模具運(yùn)行中的耐磨性。激光切割的無接觸特點(diǎn)給圓鋸片切割成形帶來無應(yīng)力優(yōu)勢(shì)，由于提高了鋸片使用壽命。
2、激光切割是一種高能量、密度可控性好的無接觸加工。
激光束聚焦后形成具有極強(qiáng)能量的很小作用點(diǎn)，把它應(yīng)用于切割有許多特點(diǎn)。首先，激光光能轉(zhuǎn)換成驚人的熱能保持在極小的區(qū)域內(nèi)，可提供（1）狹的直邊割縫；（2）*小的鄰近切邊的熱影響區(qū)；（3）極小的局部變形。其次，激光束對(duì)工件不施加任何力，它是無接觸切割工具，這就意味著（1）工件無機(jī)械變形；（2）無刀具磨損，也談不上刀具的轉(zhuǎn)換問題；（3）切割材料無須考慮它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料的硬度影響，任何硬度的材料都可以切割。再次，激光束可控性強(qiáng)，并有高的適應(yīng)性和柔性，因而（1）與自動(dòng)化設(shè)備相結(jié)合很方便，容易實(shí)現(xiàn)切割過程自動(dòng)化；（2）由于不存在對(duì)切割工件的限制，激光束具有無限的仿形切割能力；（3）與計(jì)算機(jī)結(jié)合，可整張板排料，節(jié)省材料。
3、激光切割具有廣泛的適應(yīng)性和靈活性。
與其它常規(guī)加工方法相比，激光切割具有更大的適應(yīng)性。
首先，與其他熱切割方法相比，同樣作為熱切割過程，別的方法不能象激光束那樣作用于一個(gè)極小的區(qū)域，結(jié)果導(dǎo)致切口寬、熱影響區(qū)大和明顯的工件變形。激光能切割非金屬，而其它熱切割方法則不能。
（1）氧-可燃體（如乙炔）切割。這種方法主要用于切割低碳鋼，由于它熱輸入影響大，切割速度低，很少被用來切割20MM以下要求尺寸精確的材料。
（2）等離子切割。切割速度明顯快于氧乙炔切割，但切割質(zhì)量較差，切邊頂部呈圓頭狀，切邊明顯起波浪形，還要防止電弧產(chǎn)生的紫外線輻射。它稍優(yōu)于激光切割之處在于適合切割較厚鋼板和對(duì)光束反射率高的鋁合金等。
（3）模沖。大量生產(chǎn)零件用模沖方法成本低，生產(chǎn)周期短。但它對(duì)設(shè)計(jì)上的變化的適應(yīng)性很差，新的模具需要長(zhǎng)時(shí)間設(shè)計(jì)，造價(jià)高，對(duì)中、小規(guī)模的生產(chǎn)來說，激光切割的特點(diǎn)就會(huì)充分顯示。另外，激光程控切割便于工件緊密編排，節(jié)省材料，而模沖則需要每個(gè)工件周圍預(yù)留材料。
（4）復(fù)雜零件分段沖切。一般情況下，沖床經(jīng)常要沖切比模具尺寸大得多的工件，有些工件還很復(fù)雜，這就導(dǎo)致切邊呈許多小貝殼狀刃口，需要第二次預(yù)備性加工整修。另外沖頭會(huì)形成比激光切割寬得多的切口，產(chǎn)生大量鐵屑。
（5）鋸切。切割薄金屬，其速度明顯比激光切割慢，而且激光作為一個(gè)靈活的無接觸、仿形切割工具，可從材料的任何一點(diǎn)開始切向任何方向切割。這一點(diǎn)，鋸切是難以做到的。
（6）電加工。一般，有利用電腐蝕或熔解效應(yīng)的電火花和電化學(xué)加工兩種方法，用于堅(jiān)硬材料的精細(xì)加工，切口粗糙度較好，但切割速度要比激光切割速度慢幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
（7）水切割。可切割許多金屬材料，但費(fèi)用很高。
二、激光切割的主要工藝
1、汽化切割
在高功率密度激光束的加熱下，材料表面溫度升至沸點(diǎn)溫度的速度是如此之快，足以避免熱傳導(dǎo)造成的熔化，于是部分材料汽化成蒸汽消失，部分材料作為噴出物從切縫底部被輔助氣體流吹走。一些不能熔化的材料，如木材、碳素材料和某些塑料就是通過這種汽化切割方法切割成形的。
汽化切割過程中，蒸汽隨身帶走熔化質(zhì)點(diǎn)和沖刷碎屑，形成孔洞。汽化過程中，大約40%的材料化作蒸汽消失，而有60%的材料是以熔滴的形式被氣流驅(qū)除的。
2、熔化切割
當(dāng)入射的激光束功率密度超過某一值后，光束照射點(diǎn)處材料內(nèi)部開媽蒸發(fā)，形成孔洞。一旦這種小孔形成，它將作為黑體吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金屬壁所包圍，然后，與光束同軸的輔助氣流把孔洞周圍的熔融材料帶走。隨著工件移動(dòng)，小孔按切割方向同步橫移形成一條切縫。激光束繼續(xù)沿著這條縫的前沿照射，熔化材料持續(xù)或脈動(dòng)地從縫內(nèi)被吹走。
3、氧化熔化切割
熔化切割一般使用惰性氣體，如果代之以氧氣或其它活性氣體，材料在激光束的照射下被點(diǎn)燃，與氧氣發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生另一熱源，稱為氧化熔化切割。具體描述如下：
（1）材料表面在激光束的照射下很快被加熱到燃點(diǎn)溫度，隨之與氧氣發(fā)生激烈的燃燒反應(yīng)，放出大量熱量。在此熱量作用下，材料內(nèi)部形成充滿蒸汽的小孔，而小孔的周圍為熔融的金屬壁所包圍。
（2）燃燒物質(zhì)轉(zhuǎn)移成熔渣控制氧和金屬的燃燒速度，同時(shí)氧氣擴(kuò)散通過熔渣到達(dá)點(diǎn)火前沿的快慢也對(duì)燃燒速度有很大的影響。氧氣流速越高，燃燒化學(xué)反應(yīng)和去除熔渣的速度也越快。當(dāng)然，氧氣流速不是越高越好，因?yàn)榱魉龠^快會(huì)導(dǎo)致切縫出口處反應(yīng)產(chǎn)物即金屬氧化物的快速冷卻，這對(duì)切割質(zhì)量也是不利的。
（3）顯然，氧化熔化切割過程存在著兩個(gè)熱源，即激光照射能和氧與金屬化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱能。據(jù)估計(jì)，切割鋼時(shí)，氧化反應(yīng)放出的熱量要占到切割所需全部能量的60%左右。很明顯，與惰性氣體比較，使用氧作輔助氣體可獲得較高的切割速度。
（4）在擁有兩個(gè)熱源的氧化熔化切割過程中，如果氧的燃燒速度高于激光束的移動(dòng)速度，割縫顯得寬而粗糙。如果激光束移動(dòng)的速度比氧的燃燒速度快，則所得切縫狹而光滑。
4、控制斷裂切割。
對(duì)于容易受熱破壞的脆性材料，通過激光束加熱進(jìn)行高速、可控的切斷，稱為控制斷裂切割。這種切割過程主要內(nèi)容是：激光束加熱脆性材料小塊區(qū)域，引起該區(qū)域大的熱梯度和嚴(yán)重的機(jī)械變形，導(dǎo)致材料形成裂縫。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產(chǎn)生。
要注意的是，這種控制斷裂切割不適合切割銳角和角邊切縫。切割特大封閉外形也不容易獲得成功�？刂茢嗔亚懈钏俣瓤�，不需要太高的功率，否則會(huì)引起工件表面熔化，破壞切縫邊緣。其主要控制參數(shù)是激光功率和光斑尺寸大小。
三、激光切割機(jī)及工藝控制參數(shù)。
激光切割機(jī)系統(tǒng)一般由激光發(fā)生器、（外）光束傳輸組件、工作臺(tái)（機(jī)床）、微機(jī)數(shù)控柜、冷卻器和計(jì)算機(jī)（硬件和軟件）等部分組成。
1、激光發(fā)生器。
對(duì)于激光切割的用途而言，除了少數(shù)場(chǎng)合采用YAG固體激光器外，絕大部分采用電-光轉(zhuǎn)換效率較高并能輸出較高功率的CO2氣體激光器。由于激光切割對(duì)光束質(zhì)量要求很高，所以不是所有的激光器都能用作切割的。
2、數(shù)控切割機(jī)床。
由三部分組成，即工作臺(tái)（一般為精密機(jī)床）、光束傳輸系統(tǒng)（有時(shí)稱外光路，即激光器發(fā)出的光束到達(dá)工件前整個(gè)光程內(nèi)光束的傳輸光學(xué)、機(jī)械構(gòu)件）和微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。按切割柜與工作臺(tái)相對(duì)移動(dòng)的方式，可分為以下三種類型：
（1）在切割過程中，光束（由割炬射出）與工作臺(tái)都移動(dòng)，一般光束沿Y向移，工作臺(tái)在X向移。
（2）在切割過程中，只有光束（割炬）移動(dòng)，工作臺(tái)不移動(dòng)。
（3）在切割過程中，只有工作臺(tái)移動(dòng)，而光束（割炬）則固定不動(dòng)。
3、五軸機(jī)。
工業(yè)生產(chǎn)中有時(shí)遇到需要切割三維立體構(gòu)件的問題，而一般的二軸、三軸激光切割機(jī)只能切割二維平面工件，這就需要裝備有機(jī)械手的切割機(jī)，即五軸機(jī)。
4、激光沖切機(jī)。
多年來，國(guó)外發(fā)展了綜合激光切割和機(jī)械沖孔技術(shù)的激光沖切機(jī)，這種機(jī)械對(duì)復(fù)雜形狀的工件用機(jī)械方法模沖出內(nèi)孔，然后用激光切割方法切出外緣和需要長(zhǎng)距離切割的線條。
工件在切割前，對(duì)其進(jìn)行激光切割的可行性以及切割過程中可能出現(xiàn)的問題要預(yù)先予以考慮。比如，此類材料可否進(jìn)行激光切割？其切割的難點(diǎn)在哪里？是否需要對(duì)樣品進(jìn)行試割？如何達(dá)到切割的質(zhì)量和精度的要求？工件切割的基準(zhǔn)起始點(diǎn)放在哪里？等等。
影響激光切割質(zhì)量的因素很多，激光切割的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)在于可以對(duì)過程中的主要因素實(shí)施高度控制，使切割出的工件充分滿足客戶的要求，并且重復(fù)性很好。這些主要因素由切割速度、焦點(diǎn)位置、輔助氣體壓力、激光輸出功率等工藝參數(shù)構(gòu)成。
除了以上4個(gè)*重要的變量以外，可能對(duì)切割質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素還包括光束參數(shù)（模式和功率、激光束的偏振、激光束的聚焦、脈沖波光束）和工件特性（材料表面反射率、材料表面狀態(tài)），以及割炬和噴嘴、外光路系統(tǒng)、工件固定等其他因素。
四、常用工程材料的激光切割
1、金屬材料的激光切割。
雖然幾乎所有的金屬材料在室溫對(duì)紅外波能量有很高的反射率，但發(fā)射處于遠(yuǎn)紅外波段10.6um光束的CO2激光器還是成功的應(yīng)用于許多金屬的激光切割實(shí)踐。金屬對(duì)10.6um激光束的起始吸收率只有0.5%~10%，但是，當(dāng)具有功率密度超過106w/cm2的聚焦激光束照射到金屬表面時(shí)，卻能在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)很快使表面開始熔化。處于熔融態(tài)的大多數(shù)金屬的吸收率急劇上升，一般可提高60%~80%。
（1）碳鋼。
現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)可以切割碳鋼板的*大厚度可達(dá)20MM，利用氧化熔化切割機(jī)制切割碳鋼的切縫可控制在滿意的寬度范圍，對(duì)薄板其切縫可窄至0.1MM左右。
（2）不銹鋼。
激光切割對(duì)利用不銹鋼薄板作為主構(gòu)件的制造業(yè)來說是個(gè)有效的加工工具。在嚴(yán)格控制激光切割過程中的熱輸入措施下，可以限制切邊熱影響區(qū)變得很小，從而很有效的保持此類材料的良好耐腐蝕性。
（3）合金鋼。
大多數(shù)合金結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼都能用激光切割方法獲得良好的切邊質(zhì)量。即使是一些高強(qiáng)度材料，只要工藝參數(shù)控制得當(dāng)，可獲得平直、無粘渣切邊。不過，對(duì)于含鎢的高速工具鋼和熱模鋼，激光切割時(shí)會(huì)有熔蝕和粘渣現(xiàn)象發(fā)生。
（4）鋁及合金。
鋁切割屬于熔化切割機(jī)制，所用輔助氣體主要用于從切割區(qū)吹走熔融產(chǎn)物，通�？色@得較好的切面質(zhì)量。對(duì)某些鋁合金來說，要注意預(yù)防切縫表面晶間微裂縫產(chǎn)生。
（5）銅及合金。
純銅（紫銅）由于太高的反射率，基本上不能用CO2激光束切割。黃銅（銅合金）使用較高激光功率，輔助氣體采用空氣或氧，可以對(duì)較薄的板材進(jìn)行切割。
（6）鈦及合金。
純鈦能很好耦合聚焦激光束轉(zhuǎn)化的熱能，輔助氣體采用氧時(shí)化學(xué)反應(yīng)激烈，切割速度較快，但易在切邊生成氧化層，不小心還會(huì)引起過燒。為穩(wěn)妥起見，采用空氣作為輔助氣體比較好，以確保切割質(zhì)量。
飛機(jī)制造業(yè)常用的鈦合金激光切割質(zhì)量較好，雖然切縫底部會(huì)有少許粘渣，但很容易清除。
（7）鎳合金。
鎳基合金也稱超級(jí)合金，品種很多。其中大多數(shù)都可實(shí)施氧化熔化切割。
2、非金屬材料的激光切割
10.6um波長(zhǎng)的 CO2激光束很容易被非金屬材料吸收，導(dǎo)熱性不好和低的蒸發(fā)溫度又使吸收的光束幾乎整個(gè)輸入材料內(nèi)部，并在光斑照射處瞬間汽化，形成起始孔洞，進(jìn)入切割過程的良性循環(huán)。
（1）有機(jī)材料。
可用激光切割的有機(jī)材料包括：塑料（聚合物）、橡膠、木材、紙制品、皮革等。
（2）無機(jī)材料。
可用激光切割的無機(jī)材料包括：石英、玻璃、陶瓷、石頭等。
（3）復(fù)合材料。
新型輕質(zhì)加強(qiáng)纖維聚合體復(fù)合材料很難是常規(guī)方法進(jìn)行加工。利用激光無接觸加工的特點(diǎn)可以對(duì)固化前的層迭薄片高速進(jìn)行切割修剪、定尺，在激光束的加熱下，薄片邊緣被融合，避免了纖維屑生成。
對(duì)完全固化后的厚工件，尤其是硼纖維和碳纖維合成材料，激光切割要注意防止切邊可能會(huì)有碳化、分層和熱損傷發(fā)生。正如塑料切割一樣，合成材料切割過程中需要及時(shí)排除廢氣。還有一種類型的復(fù)合材料，就是單純由兩種性能不同的材料上下復(fù)合在一起，為了獲取較好的切割質(zhì)量，激光切割總的原則是先切割具有較好切割性有的那一面
