摘要：激光切割是钣金加工的一次工艺革命，由于激光切割具有切割速度快、产品质量好等特点，因此在机械加工行业受到了广泛的认可。近年来，我国激光产业及其配套技术发展迅速，但是在高端激光设备核心技术方面与国外发达国家仍有差距，这就需要我们在不断提高激光切割技术的同时，加强实践应用，积累工作经验，从而实现激光切割工艺技术的不断进步。
关键词：激光切割；机理；特点；机械工艺技术
激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术，也是激光加工中应用最早、使用最多的加工方法。激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹做相对运动，从而形成一定形状的切缝。激光切割技术经过近几年的发展，广泛应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门中。
1 激光切割技术发展趋势及特点
1.1 厚板切割和大尺寸工件切割的大型激光切割机
如上所述，随着可用于激光切割激光器功率的增大，激光切割正从轻工业薄板的钣金加工向着重工业厚板切割方向发展。6kW大功率激光器，能切割低碳钢板最大厚度达32mm的大尺寸工件。由于厚板激光切割技术的不断改进，目前已经尝试使用3kW的激光器切割通常需要用6kW激光器才能切割的32mm厚的低碳钢板.并已用于试生产。此外，激光切割机的加工尺寸范围也在不断扩大，目前生产最大激光切割机的机宽可达5.4m，长达6m。这都说明了厚板、大尺寸激光切割技术正在逐渐提高。
1.2 高速、高精度激光切割机
由于大功率激光器光束模式的改善及32位微机的应用，为激光切割设备的高速、高精度创造了有利条件。目前国际先进水平的激光切割机的切割速度已达到20m/min以上，两轴快速运动可达250m/min，加速度最大为109，定位精度达0.01mm/500mm。采用高速、高精度的激光切割机，在切割板厚lmm，直径10mm的小圆时，每分钟能切割500多个，而其直径误差不大于50mm，实现了真正意义上的飞行切割技术。
1.3 三维立体多轴数控激光切割机
为了满足汽车、航空等工业的立体工件切割的需要，目前已发展了各种各样的5轴或6轴三维激光切割机，其最大加工工件尺寸可达3500mmx1200mm，数控轴数达到9轴，加工速度快，精度高，在6.2m范围内加工误差仅在0.1mm之内。在先进国家的汽车生产线上，YAG激光切割机器人的应用愈来愈多。目前，三维激光切割机正向高效率、高精度、多功能和高适应性方向发展，其应用范围将会愈来愈大。
2 激光切割的机理分析
2.1 激光划片与控制断裂的机理分析
激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。
2.2 激光汽化切割的机理分析
无论是金属材料还是非金属材料，都具有固定的沸点，例如铁的沸点是2750摄氏度，金的沸点是2966摄氏度等。当外界温度达到这些材料的沸点后，材料就会开始汽化，形成蒸汽。激光汽化切割的机理就是利用高能量的激光束作为热源，使机械材料在瞬间达到沸点并汽化。由于温度极高，因此会在短时间内产生高速喷出的蒸汽，并在材料上留下整齐的切口。激光汽化切割需要激光器具有很大的功率，因此这种切割方法通常用于切割厚度较小的金属薄板，或是一些沸点较低的非金属材料，例如木材、塑料等。
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2.3 激光氧气切割的机理分析
从作用效果上看，激光氧气切割与氧乙炔切割类似，两者都是利用预热热源，将氧气、氢气等活性气体作为切割气体，而激光氧气切割的预热热源是激光。激光氧气切割与上述两种切割方式的不同之处在于，它直接利用活性气体切割金属材料：喷出的气体一方面能够在激光高温的作用下，与金属发生氧化反应，并且在这一化学反应中生产大量的氧化热；另一方面，高速喷出的气体还能将熔化的金属和氧化物吹出，形成切口。由于活性气体在氧化反应中放出了大量的热量，在一定程度上发挥了熔化金属材料的作用，因此切割所耗损的能量较低。
2.4 激光熔化切割的机理分析
激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，喷嘴喷吹非氧化性气体（Ar、He、N等），依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。所需能量只有汽化切割的1/10。激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金等。
3 激光切割技术在机械加工中的具体应用
随着科学技术的快速发展，作为电加工技术中的一种主要方式，激光切割技术在机械加工特别是模具加工行业得到了普遍的应用。激光切割技术在淬火钢模具和硬质合金等零件的加工过程中被广泛采用，还特别适合加工窄缝和复杂形状的细小零件，对于挤压模和冲模加工等更能体现激光切割技术的优势。具体如下：
对于中小型冲模的加工方法，目前通常采用激光切割技术进行整体加工，这样不仅提高了冲模的配合精度，而且也缩短了周期降低了生产成本；而对于形状复杂、带有窄缝或尖角的小型凹模型孔，首先对零件整体结构进行淬火，然后再进行加工，这样不仅能使模具设计和制造简单化，而且还能确保模具精度达到设计要求，这样对于传统加工方法不能完成的上下异型面扭转体和锥体等零件，通过激光切割技术可以轻易完成而且质量很好，使得激光切割技术在机械加工中的应用前景更加广阔。
4 激光切割的工艺参数
4.1 激光功率
决定激光功率的主要因素的激光器，激光功率越大，则切割速度越快，切割效果越好。除了受自身硬件条件的制约外，激光功率还受到外界因素的影响，包括切割材料的性质、材料的导热性能等。例如，切割材料表面光滑，光反射率高，那么激光的利用效率就高，切割效果更好；切割材料如果为良性热导体，切割点的热量能够迅速传播到机械材料的其他部位，则容易产生“热区效应”，容易出现材料变形或切口粗糙等问题。
4.2 光束质量、透镜焦距和离焦量
激光器输出光束的模式为基横模时对激光切割非常有利。通过聚焦后获得较小的光斑和较高的功率密度。研究表明，非氧助切割时切口宽度与激光光斑直径基本相等。光斑的大小与聚焦透镜的焦距成正比。短焦距的透镜尽管能得到较小的光斑，而焦深较小。激光加工技术中采用的焦深定义为：如果光束某横截面中心的功率密度为焦点处的50%，此点与焦点的距离即是焦深。焦深越小，能切割的板厚越薄，工件表面到透镜的距离要求就严格。切割厚板，要选用焦距较大的聚焦透镜。离焦量对切割速度和切割深度有较大的影响，切割时要保持不变，通常离焦量要选用负值，焦点位置处在切割板面下面的某点。
结束语：
激光切割技术，是一种高水平的切割技术，这项技术所能够切割材料的范围广，成本高，切割效率也极高。随着激光切割技术的不断普及，市场对高效率切割技术需求的增大，使得当前高效率的激光切割技术得到了不断的发展。该项技术在交通、汽车制造、航空航天事业中都发挥了重要的作用。
参考文献：
[1]激光切割机在钣金加工中的应用[J].王大力.科技资讯.2014（02）
[2]激光切割技术的深入研究与应用[J].王艳清.四川建材.2014（03）
[3]激光切割的机理与机械工艺技术[J].苑欣华.科技与企业.2014（11）
论文作者:佟运成,张士伟,黄忠
论文发表刊物:《基层建设》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/18
标签：激光论文; 材料论文; 激光器论文; 加工论文; 技术论文; 厚板论文; 机理论文; 《基层建设》2017年第26期论文;