激光切割技术参数及性能指标

激光切割技术

参数及性能指标

激光切割技术想必大家都很熟悉。激光切割技术是利用高能量密度激光束对材料进行精确切割的加工方法。广泛应用于金属和非金属材料的加工。最常见的激光切割设备是激光切割机。

激光切割机利用激光的切割原理。激光切割的核心是高功率激光器产生的激光束。通过反射镜和透镜系统，特别是聚焦透镜，将光束聚焦成一个非常小的光斑，通常直径只有几十微米到几百微米，从而在被加工材料的表面形成非常高的能量密度。

在高能量密度激光的照射下，材料表面迅速升温至数千至数万摄氏度，导致材料瞬间熔化、汽化或燃烧。对于金属材料来说，还可能发生氧化反应。

在激光切割过程中，常常组合使用高压辅助气体（如氧气、氮气、氩气或压缩空气等）。它们一方面帮助吹走熔化或汽化的材料，另一方面保护切割区域，减少热影响区，提高切割质量和速度。

激光切割的主要工艺参数有切割激光功率、切口宽度、切割速度和气体流量。其他因素，如激光光束质量、透镜焦距、离焦和喷嘴等，对激光切割也有很大影响。

(1) 激光功率

对于材料特性而言，如果材料的表面反射率较高，那么当激光照射到材料表面时，就会有更多的能量被反射回来，而不是被材料吸收进行切割。因此，为了保证足够的能量进行切割，需要提高激光功率。同样，如果材料的导热性良好，则激光照射产生的热量会很快传导到材料内部，导致切割区域的温度难以上升到足以进行切割的水平。在这种情况下，还需要增加激光功率以提高切割效率。此外，切割高熔点材料还需要较大的激光功率和功率密度。这是因为熔点高的材料需要更多的能量来使其熔化或汽化，从而达到切割的目的。

(2)切削速度

在一定功率条件下，当板材厚度增加时，激光束需要穿透更深的材料层才能完成切割。研究表明，切削速度与切削表面粗糙度之间的关系并不是简单的线性关系，而是呈现U型变化趋势。这意味着对于不同板厚和不同切割气体压力条件的材料，存在一个最佳切割速度点。以该速度切割时，可以使切割面的粗糙度值最小，即切割最光滑。一般来说，切割速度越快，所需的功率越大。

(3) 气体压力（气体流量）

在熔化切割过程中，激光束将材料加热至熔化温度。这时，气体将液态金属吹走，形成切口。气体压力必须足够大，才能有效去除熔融金属，保证切割的连续性和切口的清晰度。气体流量还与喷嘴形式有关。不同的喷嘴形式对气体的分布和流动特性的影响不同，因此适用的气体流量也会不同。在选择喷嘴和设定气体流量时，需要根据具体的切割要求和材料特性进行匹配和优化。

(4)光束质量、镜头焦距和散焦

激光器输出的光束模式对于切割效果至关重要。基横模（TEM00模）光束因其光束直径小、能量集中而被认为是激光切割中最理想的光束模式。实验研究表明，无氧辅助切割时切口宽度几乎等于激光光斑直径。光斑大小与聚焦透镜的焦距成正比，即焦距越长，光斑越大；焦距越短，光斑越小。然而，短焦距镜头虽然可以获得更小的光斑，但其焦深也相应减小。焦深越小，工件表面到镜头的距离要求越严格。离焦值对切割速度和切割深度影响很大，在切割过程中必须保持不变。一般散焦值为负值，即焦点位置置于切割板面下方的某一点。

(5) 喷嘴

喷嘴是影响激光切割质量和效率的重要部件。激光切割一般采用同轴（气流与光轴同心）喷嘴，喷嘴出口直径应根据板材厚度选择。另外，喷嘴到工件表面的距离对切割质量也有很大影响。为了保证切割过程的稳定性，这个距离必须保持恒定。

工业材料激光切割

(1)金属材料激光切割

几乎所有金属材料在室温下对红外光都具有较高的反射率。例如，10.6μm二氧化碳激光的吸收率仅为0.5%~10%。然而，当功率密度超过 的聚焦光束时，表面会在微秒内开始熔化。大多数熔融金属的吸收率都会急剧上升，一般可达60%~80%。因此，二氧化碳激光器已成功应用于许多金属切割实践中。

现代激光切割系统可切割的碳钢板最大厚度已超过20mm。采用氧辅助熔化切割方法可以将碳钢板的切缝控制在满意的宽度范围内，薄钢板的切缝可窄至0.1mm左右。激光切割是不锈钢板有效的加工方法。它可以将热影响区控制在很小的范围内，从而保持其耐腐蚀性能。大多数合金结构钢和合金工具钢都可以通过激光切割获得良好的切削刃质量。

铝和铝合金不能用氧辅助熔化来切割。必须使用熔化切割机构。铝激光切割需要非常高的功率密度，以克服其对 10.6μm 波长激光的高反射率。 1、06μm波长YAG激光束由于吸收率高，可以大大提高铝材激光切割的切割质量和速度。

飞机制造行业常用的钛及钛合​​金，使用氧气作为辅助气体时，化学反应剧烈，切割速度较快，但易在切削刃上形成氧化层，甚至引起过烧。

使用惰性气体作为辅助气体更安全，保证切割质量。大多数镍基合金也可以通过氧辅助熔化进行切割。铜及铜合金的反射率太高，基本上无法用10.6μm二氧化碳激光器进行切割。

(2)非金属材料激光切割

10.6μm CO2激光束很容易被非金属材料吸收。其较低的反射率和蒸发温度使得几乎所有吸收的光能都能进入材料，并瞬间引起汽化形成孔洞，进入切割过程的良性循环。塑料、橡胶、木材、纸制品、皮革、天然织物和其他有机材料都可以通过激光切割。然而，木材的厚度必须受到限制。木板的厚度在75mm以内，层压板和木片板的厚度在25mm左右。无机材料中，石英和陶瓷可以用激光切割。后者应在受控断裂的情况下进行切割，并且不应使用高功率。玻璃和石材一般不适合激光切割。

其他难以用常规方法加工的材料，如复合材料、硬质合金等，都可以采用激光切割，但必须通过实验选择合理的切割机构和工艺参数。

在激光切割技术的实际应用中，提高切割效率、提高切割质量、降低切割成本是我们经常需要考虑的事情之一。

改进激光切割技术，提高生产效率、切割质量、降低成本，可以从以下几个方面入手：

1、随着激光技术的进步，使用更高功率的激光器（如10000瓦激光器）可以显着提高切割速度，同时减少热影响区和材料变形，使切割效率更高、质量更好，特别是对于切割较厚的材料。

2、合理调整激光功率、切割速度、辅助气体类型和压力以及喷嘴与材料的距离等参数，根据具体材料和切割要求进行详细设置。通过多次测试找到最佳参数组合，提高切割效率和质量。

3、通过自动调焦系统，根据材料厚度和类型自动调整激光焦点位置，保证切割精度。

4、通过快速移动切割头到下一个切割起点，减少非切割时间，提高整体作业效率。

5.自动检测材料边缘和倾斜角度，自动调整切割路径，减少材料浪费和预处理时间。

6、利用CNC软件模拟切割，规划最简单的切割路径，减少空行程，提高材料利用率和切割速度。

7、定期对激光切割机进行维护和保养，如更换易损件、清洁光学元件、校准设备等，确保设备长期稳定运行，保持最佳切割性能。

8、保持激光切割机工作环境清洁，温度适宜，湿度适中，避免灰尘和湿度过大对设备及切割效果的影响。

9、采用更先进的数控控制系统和软件，提高控制精度和响应速度，支持更复杂的切割任务。

10、持续关注激光技术的新发展，如更高效的激光源、更先进的光学系统、智能软件算法等，不断提高切割能力。