激光切割的原理与分类解析

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：激光切割按照激光束的输出时间特性可以分为连续激光切割和脉冲激光切割。连续激光切割是重要的激光切割加工形式，主要用于各种材料的高效切割，而脉冲激光主要应用于材料的精密切割。下面以连续激光切割为对象，介绍激光切割的原理和方法分类。激光切割的原理如图4-1-38所示。

在当代制造工业中，激光切割技术已广泛应用于金属和非金属材料的加工中，它可大大减少切割加工时间，降低加工成本，提高切割工件质量。激光切割按照激光束的输出时间特性可以分为连续激光切割和脉冲激光切割。连续激光切割是重要的激光切割加工形式，主要用于各种材料的高效切割，而脉冲激光主要应用于材料的精密切割。CO₂激光既可用于金属也可用于非金属材料的切割，因此，CO₂激光切割占有目前最大的激光切割市场。下面以连续激光切割为对象，介绍激光切割的原理和方法分类。

1.激光切割的原理

激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。激光切割的原理如图4-1-38所示。

2.激光切割的分类

从切割过程的物理形式上看，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四类。

（1）激光汽化切割利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料（如纸、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。

图4-1-38 激光切割原理示意图

（2）激光熔化切割激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷出非氧化性气体（Ar、He、N₂等），依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化，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）激光氧助熔化切割激光氧助熔化切割原理类似于氧乙炔切割。它是利用激光将工件加热至其燃点，利用氧或其他活性气体使材料燃烧放热，使切割过程中除激光能量外的另一热源同时产生，两者同时作为切割热源；同轴气流把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。

（4）激光划片与控制断裂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。

激光切割的原理与分类解析

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