激光切割技术

张桐

摘 要：本文主要简述激光切割技术原理，着重介绍主流的几种激光切割技术，分析激光切割技目前现状及未来发展状态。激光加工技术是一种先进制造技术，而激光切割是激光加工应用领域的一部分，激光切割是当前世界上先进的切割工艺。由于它具备精密制造、柔性切割、异型加工、一次成形、速度快、效率高等优点，所以在工业生产中解决了许多常规方法无法解决的难题。激光能切割大多数金属材料和非金属材料。

关键词：激光切割技术的应用；激光切割的原理；激光切割的分类及特点术

This article mainly describes the principle of laser cutting technology， highlights several mainstream laser cutting technologies， analyzes the current status and future development of laser cutting technology. Laser processing technology is an advanced manufacturing technology， and laser cutting is a part of laser processing applications. Laser cutting is currently the world's advanced cutting technology. Because it has the advantages of precision manufacturing， flexible cutting， special-shaped processing， one-time forming， high speed， and high efficiency， it solves many problems that cannot be solved by conventional methods in industrial production. Lasers cut most metallic and non-metallic materials.

1概述

激光切割技術主要是利用高功率密度激光束照射被切割材料，在光束焦点处获得超过104 W/mm2 的功率密度，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随着光束对材料的移动，孔洞连续形成宽度很窄的（如0.1mm左右）切缝，完成对材料的切割。激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂三类。激光切割设备除具有一般机床所需有的支承构件、运动部件以及相应的运动控制装置外，主要还应备有激光加工系统，它是由激光器、聚焦系统和电气系统三部分组成的。

1激光切割技术的特点

激光切割技术与其他传统切割方式相比，激光切割有很多的优点，现将其归纳如下：

1.切割缝隙窄，具有良好的切割精度；

2.切割速度快，热影响区小；

3.激光切割面质量好，切缝边缘垂直，切边光滑，不用修正就可以直接进行焊接；

4.切边没有机械应力，不产生剪切毛刺和切屑；

5.激光切割不存在刀具损耗现象和接触能量损耗现象，不需要更换刀具；

6.激光切割可以容易的地切割既硬且脆的材料，如玻璃、陶瓷、PCD复合片和半导体等；也能切割既软又有弹性的材料，如塑料、橡胶等；

7.光束无惯性，可以实行高速切割；

8.利用激光的特性，能实现多工位操作，容易实现数控自动化。

2 激光切割的方式

2.1激光汽化切割

气化切割需要很高的功率密度（越106W/mm2），在这样高的功率密度激光束照射下，材料表面的温度瞬间升至沸点以上，使部分材料化作蒸汽逸去，部分材料很快成为喷出物从切割缝底部被吹走形成切缝或窄槽，这种方法主要用于不能熔化的材料，如木材、纸张、碳素和某些有机物的切割。

汽化切割过程是：激光束照射在工件表面上，部分光束能量被反射，其余部分能量被处理吸收，随着材料表面继续加热反射率急剧下降，而吸收率快速上升，这是由于材料表面温度升高产生氧化，改变了表层的电子结构，热机械应力造成的形变使材料表面形状发生变化，随后汽化形成有黑体效应的空洞以及材料表面蒸气离解成等离子层的综合结果。这一过程进行得极为迅速，可用公式表示：

μ=Ae-B/t

μ—吸收系数

A、B—实验常数

t—激光作用时间

2.2熔化切割

熔化切割的的基本过程是：当入射的激光束功率密度超过某一阈值后，会在材料内部产生蒸发。形成孔洞，由于黑体效应孔洞将吸收所有的入射光束能量，小孔被熔化了的金属壁所包围，依靠蒸气流高速流动，使熔壁保持相对稳定，并形成熔化等温线贯穿被加工材料，然后，由与光束同轴的辅助气流的喷射压力将孔洞周围的熔融物质吹出、去除，当被加工材料按加工要求的轨迹运行移动时，小孔平移并形成一条切缝，激光束随着被加工材料的移动继续沿着这条缝的前沿照射，熔化物质持续或脉动地从切缝内被辅助气体吹掉，形成了熔化机制的切割。熔化切割所需的激光束功率密度约为107W/cm2.。

2.3助氧熔化切割

氧助熔化切割是用氧或者其他活性气体作为辅助气流代替熔化切割所用的惰性气体，由于热基质的点燃，产生了与激光能并存的另一热源。氧助熔化切割是由熔化切割派生出的另一类激光切割方法，其机制比较复杂。基本切割过程是材料表面在激光束的照射下，瞬间达到点燃温度，随之与氧气接触，发生激烈的燃烧反应，放出大量的热量，在此热量的作用下，材料内部形成充满蒸汽的小孔，小孔周围被熔融金属壁所包围，由于蒸汽流的运动使周围熔融金属壁向前移动，并发生热量和物质转移，燃烧物质转移成熔渣控制了氧和金属燃烧的速度，同时氧气扩散通过熔渣到达点火前沿的速度也对燃烧速度有较大影响，氧气流速越快，燃烧化学反应和材料去除速度也越快，并且也使切缝出口化学反应产生的氧化物快速冷却，在未达到燃点温度的区域，氧气作为冷凝剂，起缩小热影响区的作用。

氧助熔化切割同时存在着激光照射能和氧—金属放热反应能两个加热源。图 2和图3为用惰性气体、氧气作为辅助气体的两种切割方法，分别对不锈钢和金属钛进行激光切割的切割速度示意图。

很明显，使用氧气作为辅助气体进行激光切割可获得比使用惰性气体更高的切割速度。

2.4控制断裂切割

控制断裂切割是利用激光技束对易受热破坏的脆性材料进行加热，使其高速、可控地被切断。这种方法的切割过程可以概括为：激光束加热脆性材料表面的一小块区域，材料受热后产生明显的温度阶梯，材料表面温度较高要发生膨胀，而材料内层温度较低，则会阻止其膨胀，结果，内层产生沿径向的挤压应力，表层则相对内层产生拉应力，引起严重的机械变形。由于脆性材料的抗压强度要比抗拉强度高得多，因此材料将首先从内部裂开。因为最大的机械变形发生在激光束加热区域，只要保持均衡的加热梯度，激光束可引导裂缝在任何需要的方向上产生、延伸。需要注意的是这种切割机制不适合切割锐角和脚边切缝，也不适合切割特大封闭外形的工件。

3影响切割质量的因素

激光切割的一个显著特点是对影响加工质量的主要参数可以进行高度有效地控制，使激光切割工件的效果能满足实际应用要求，并且具有很好的重复性。要使激光切割达到切缝入口处轮廓清晰、切缝窄、切边热损伤最小、切边平行度好、无切割粘渣和切割表面光洁度高的良好质量，必须了解和控制对激光切割影响较大的因素。

3.1光束特性对激光切割质量的影响

3.1.1光束模式的影响

激光束断面能量分布称为模式（也称为模），用TEM表示。光束模式与它的聚焦能力有关，最低阶模称为TEM00，光斑内能量呈高斯曲线分布，如图2所示，具有这种模式的光束可聚焦到理论上最小的光斑尺寸，直径可达到百分之几毫米，并给予最陡、尖的高能量密度，而高阶模或多模光束的能量分布比较扩张，经聚焦的光斑尺寸较大，而能量密度较低，与相同功率输入的低阶的模激光束比，不如其“锋利”。

基模激光束进行切割，因其比较小的光斑和高功率密度，可获得窄的切缝，平直的切边和很小的热区影响。切割区重熔层也最薄，底面粘渣程度最轻，甚至不粘渣。实际切割过程中，最佳的光斑尺寸要根据被切割材料的厚度来确定。如用同一输出功率激光束切割钢板，钢板越厚，激光束光斑尺寸也应适当增大，才能获得较好的切割质量。

3.1.2聚焦光斑及焦点位置的影响

聚焦光斑直径D可通过公式计算：

D=2.4Fλ

式中 D—功率强度下降到1/e2中心值时的光斑直径，μm；

F—所用光学系统系数，对于双凸镜，它等于透镜焦长/入射光束直径。

与光斑尺寸相联系的Zs，它表示焦点上下沿光轴中心功率强度超过顶峰强度1/2的那段距离，可用公式计算：

λ—波长；

L—透镜焦长；

a—光斑半径；

F—系数，F=L/（2a）。

由公式可知：激光束聚焦后光斑大小与透镜焦长成正比，F值的选择应与工件材料的性质、厚度以及激光功率相匹配。聚焦透镜焦长越短，F值越小，光斑尺寸和焦深也越小，焦点处的功率密度很高，对材料切割越有利；但是焦深小带来的不利因素是调节余量大小，一般比较合适高速切割薄型材料。对于厚度较大的工件来说，要用较大焦深的长焦长透镜，只要具备足够的激光功率密度，就能满足加工要求。

透镜焦长，焦深与光斑大小的关系如下图所示，随着焦长的加长，聚焦光斑变大，焦深也随之变长。当增加透镜焦长，使光斑尺寸加大一倍（即从Y到2Y）时，焦深增加4倍（即从X到4X）。

在F值确定后，由于焦点处于激光功率密度最高，在大多数情况下，切割焦点位置处于工件表面，或稍微低于表面的位置为最佳。在激光切割中，当焦点位置最佳时，切缝最小，效率最高。

3.2光束偏振的影响

用于激光切割的高功率激光器几乎都具有平面偏振的性质，与任何形式的电磁波传输相同，激光束也具有电和磁的分矢量它们相互垂直并与光束运行方向成90°，在切割过程中，光束在切割面上不断地反射，由于光束偏振，当切割走向不同时，被切割材料吸收光束的能力收到很大的影响，因此，切缝宽度、切边粗糙度和垂直度的变化都与光束偏振有关。

当切割运行走向与光束偏振位向形成某一偏角时，被切割材料能量吸收减少，使切割速度降低，导致切缝变宽、切边变粗糙且不平直有斜度；当切割运行走向与光束偏振位向完全垂直时，切边斜度消失，切割速度更慢，切縫更宽，切割质量显得更为粗糙。

对于复杂形状的工件，需要采取控制光束领其形成圆偏振方式的措施，以获得均匀一致的高质量切缝。目前，常用的做法是：由激光腔发出的光束在聚焦前先经过被称为圆偏振镜的特殊镜片，由线偏振光束转换为圆偏振光束，从而避免了线偏振光束对切割质量带来的种种不良影响，即使在高速切割的状态下，圆偏振光束切割的切面质量仍能在各个方向保持一致，并且消除了切缝底部切面角与切割方向偏离90°的现象。

3.3激光切割速度对激光切割质量的影响

激光切割的基础依赖于有效的光束功率密度和被切割材料的物理性能。材料的切割速度与有效的激光功率密度成正比，与材料密度和厚度成反比。切割速度对切割质量的影响十分明显。当切割速度过低时，由于氧燃烧速度高于或等于激光束移动速度，工件被切割边沿出现明显的烧伤痕迹，而且切缝较宽，切面也很粗糙，切边底部的烧伤程度要比顶面更加严重。当切割速度逐渐提高进入一定的范围时，激光束移动速度虽然发生变化，但切缝宽度基本趋于稳定，切边平行度好，切面呈规则细条纹状。激光切割通常都在这个范围内工作，超过这个范围，继续提高切割速度，由于缺少光束在切缝内部反射，材料不能被切透。这种切边断面呈一定角度的斜条纹状，熔渣也很难从底部顺利排出，使热影响区明显扩大。切缝平行边被破坏，形成楔形边，以致最后熔渣在凝固前不能被排出，切割彻底失败。

4 不同材料的激光切割

4.1金属材料的激光切割通常采用CO2激光器，利用纵流CO2激光器光束质量好的特点。虽然大多数金属材料在室温情况下对红外能量都具有很高的反射率，然而金属表面的吸收率是随温度和氧化程度的升高而迅速增加的。金属对10.6μm波长的激光束起始吸收率只有0.5%～10%，当具有功率密度106W/cm2的聚焦激光束照射到金属表面时，能在微秒级时间内使金属表面达到熔化熔化温度，处于熔融状态的大多金属的吸收率急剧上升，瞬间可以提高到60%～80%。大功率CO2激光器具备金属切割的条件。

4.2碳钢的激光激光切割

利用现代激光切割系统切割碳钢板材的最大厚度已达到20mmy，氧助熔化切割可将碳钢板材的切缝宽度控制在要求的范围内，薄板切割时其切缝可达0.1mm左右。切切割过程中的热影响区很小，对于含碳量较低的钢材几乎可以不予考虑。

激光切割碳钢的切缝光滑，切割面清洁平整，切边垂直度好。低碳钢内所含的磷、硫偏析区会引起切边的熔蚀，造成切割质量的下降。因此，含杂质低的优质冷轧钢板的切边质量优于热轧钢板。

激光切割含碳量较高的碳钢时，其切边质量略有改善，但热影响区也有所扩大。

激光切割镀锌或涂塑薄钢板（板厚0.5～2.0mm）时，具有较高的切割效率，切缝窄省材料，也不会引起变形。切缝附近的热影响区小，切缝区的镀锌层或塑料涂层不会遭到损坏。

4.3不锈钢的激光切割

不锈钢的切割性质与低碳钢相似，在低的切割速度下不能获得高的切割质量，其精细切割速度范围随激光功率增大而变宽。所不同的是不锈钢切割需要更高的激光功率和更大的氧压力。而且，不锈钢虽可达到较满意的切割效果，但却很难获得完全无粘渣的切缝。

激光切割不锈钢薄板是一种非常行之有效的加工方法，在切割过程中通过严格控制热输入，可以使切边热影响区减少到很小，从而保证不锈钢材料的良好耐腐蚀性不遭破坏。

常用的不锈钢有三种：奥氏体不锈钢（如1Cr18Ni9Ti）、马氏体不锈钢钢（如Cr13）和铁素体不锈钢（如Cr18）。奥氏体不锈钢中含有镍元素，它对激光束能量在材料中的耦合和传输都有影响。尤其是切割过程中熔融态镍的黏度较高，会出现熔渣附着在切割背面的现象，对于切割厚度较大的工件时，这种现象更为明显。马氏体不锈钢和铁素体不锈钢中均不含镍，激光切割都可获得清洁、光滑滑的切边质量。

4.4合金钢的激光切割

大多数合金结构钢和合金工具钢用激光的方法进行切割都能获得良好的切边质量。例如，激光功率为1.7kW、切割速度为1.2m/min时，切割6mm厚的工具钢和锰钢均可获得无粘渣的切缝，并通过测量硬度可以推定，锰钢切割热影响区小于0.6mm，切割后硬度增值与机械剪切相似，工具钢热影响区在0.3mm以内，最大硬度值为800HV。对于CrN、CrNi-Mo合金结构钢的激光切割也能获得优质、清洁的平直切边。但含钨的高速钢和热获钢激光切割时有熔蚀和粘渣现象发生。

5结论

目前國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生产实践的提高有着深刻关系。

参考文献：

[1]曹凤国，激光加工技术.北京：北京科学技术出版社，2007.

[2]曹凤国等.特种加工手册，北京：机械工业出版社，2010.

[3]关振中.激光加工工艺手册.北京：中国计量出版社，2003.

[4]林树忠，孙会来.激光加工技术的应用及发展.河北工业大学学报，2004.