激光切割技术原理及应用
激光切割技术原理及应用-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
激光切割技术原理及应用
一、背景
1917年，爱因斯坦就提出了受激辐射的概念。1960年，梅曼成功运转了世界上第一台激光器。自此人们研究了激光的特性，开始探索激光在加工领域中的应用。几年后，高功率的 C、YAG 激光器的发明，使激光加工变成现实。目前激光加工作为先进制造技术已广泛应用于国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、实现自动化、消除污染和减少材料消耗等起到重要的作用。如日本最先将激光切割系统引进汽车制造中，大大提高的劳动生产率。激光切割是应用最广泛的一种激光加工技术，目前激光切割在激光加工中所占的比例超过了 70%。
二、原理
激光具有高亮度、高单色性、高相干性以及方向性好的特性。激光切割原理一般指激光经过聚焦后照射到材料上，使材料温度急速升高至熔化或汽化，随着激光与被切割材料的相对运动，在切割材料上形成切缝从而达到切割的目的。
从激光与材料作用机理和过程来分，激光切割可分为热加工和“冷加工”两种。现在大量用于激光加工的C和 YAG 激光处于红外波段，它们基于热效应，使工件升温、熔化或汽化，以完成各种加工，称其为热加工，但这种方式会损伤周围区域, 因而限制了边缘强度和产生精细特征的能力。紫外激光的波长短、能量集中，通过直接破坏连接物质组分的化学键来达到加工目的, 这种将物质分离的过程是一个“冷”过程，热效应小，因此在精密切割和微加工领域具有广泛的应用。
激光切割工艺相比较传统切割工艺的优点在于：
1、激光加工属于非接触加工，因此无磨损，无机械应力，无形变，无耗材，无原材料浪
费
2、激光能量集中，因此其热影响区小，对非加工部位没有影响，工件热变形极小
3、激光能量密度高，加工速度快，生产效率高
4、激光便于导向、聚焦、发散等，可以得到不同的光斑尺寸和功率密度，且激光易与数
控系统配合，加工方法灵活，因此可以完成任何复杂的加工，如微细加工和局部选择加工
5、激光加工不受电磁干扰，加工质量稳定可靠
6、激光加工无噪声、无污染，对环境没有危害
三、具体工艺
实际的激光切割工艺包括了激光部分、光路系统、辅助介质、机械结构、电控部分和软件部分六个方面。
机械加工和其他传统加工方式中，经常会采用气体或者液体来作为加工的辅助介质，目的是去除加工过程中产生的碎屑，降低加工处的温度，保证加工质量及加工的顺利进行。同样在激光切割中也会遇到类似的问题，切割的碎屑会堆积在切割处，既影响切割质量又会阻碍切割的进行，切割处的温度过高影响切割质量，因此同样可以使用气体或者液体作为切割的辅助介质来除屑和降温。下面仅从辅助介质的角度讨论。
（1）气体辅助切割
辅助气体除了排除切割碎屑和降低切割处温度的基本作用外，在激光切割中它还充当保护气体或者反应气体。
一方面，氮气和惰性气体的化学性质稳定，通常不与材料发生化学反应，因此在切割时可以作为保护气体使用，避免切割处的材料因为高温而被氧化，使材料性质发生改变，降低切割质量。多应用在塑料、半导体等不希望发生氧化现象的材料的切割中；另一方面，氧气等活性气体化学性质活泼，可以与材料发生放热反应，为切割提供额外的热源，提高切割的速度，此即氧助熔化切割。通常用在金属的切割中，金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧气发生剧烈的氧化反应（即燃烧），放出大量的热，为切割的进行提供额外的热能。
需要注意的是：1、金属的燃点要低于熔点且生成熔渣的熔点低于金属的熔点。2、激光切割过程中，激光束要穿过喷嘴产生的气体流场，同时气流还要起到除屑和冷却的作用，这样气体流场的分布会影响激光束的传输和切割质量，对气流的控制就显得十分重要。
（2）水导激光切割
采用同轴喷射气体作为辅助介质存在一些无法解决的问题，如气体的冷却能力不足，除渣不尽会产生切边挂渣现象等，因此考虑将气体换为液体。但是液体对激光传播的影响较大，并不能简单采取同轴喷射就能解决，需要更多的考虑和设计。
其中一种典型技术是瑞士SYNOVA 公司开发的以水为切割辅助介质的微水导激光切割技术。它是将激光束经过聚焦后耦合入高压喷射的极细水柱中（20~40μm），利用激光在水和空气界面的全反射使激光在水柱内进行传播，将激光引到材料表面进行切割，因此水起到了长度可变的液态光纤的作用，同时水对切割部位进行冷却并除去切割的碎屑。
切割过程中水柱的产生及激光的耦合和传播是此项技术的关键点。使用水导激光切割一些材料时可以达到良好的切割效果，但此项技术为国外所垄断，工艺复杂设备昂贵。
（3）水下激光切割
采用水作为切割辅助介质时，还可以采用将材料浸没在水中，然后使用激光直接透过水层对材料进行切割。此时水同样可以达到降温、排屑和隔离的作用。但当激光射入水中时，水会吸收一部分激光而造成其能量的减弱。
对于水下激光切割，关键点是消除水波对激光传输的影响，在切割中由于机械震动和空气流动等因素，造成自由液面的波动，对激光产生折射，使焦点位置产生漂移，造成切割质量变差或无法进行，因此必须采取措施消除自由液面的波动带来的影响。
四、展望
目前国内主要研究方向在钢板的激光切割工艺方面，少数涉及到有色金属的切割工艺。而国外的激光切割工艺比较成熟。目前的研究领域主要集中在数字模型对切割过程的模拟以及特殊情况下的激光切割。国内学者已经从理论上和大量的试验结果中研究了影响激光切割加工的相关物理参数及工艺参数。真正要应用到国民生产业仍有距离。另外三维立体多轴数控激光切割已成为趋势。一方面，要做到高精度，高功率；另一方面还要追求无人化，自动化控制。可见技术的发展与生产实践的提高有着深刻关系。
参考文献
【1】杨伟，高精密激光切割的理论及应用，烟台大学硕士学位论文，2009.4 【2】孙晓东，王松等，激光切割技术国内外研究现状，金属铸锻焊技术，Vol.41，No.09,，2012年5月
【3】赵殿甲，激光切割技术的应用与发展，煤矿机械，Vol.27，No.8，Aug.2006 【4】黄开金，谢长生，激光切割的研究现状及展望，激光与光电子学进，1998年第4期