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。......
2023-06-26
激光切割的原理与特点分析
【摘要】：当激光束向前运动时，小孔前移并留下一条切缝。激光汽化切割是利用高能密度的激光束加热工件，表面温度迅速上升，极短时间内达到材料的沸点，材料开始汽化并形成蒸气，在蒸气喷出的同时，材料上形成切口。只要通过加热保持均衡的温度梯度，激光束就可引导裂纹在任何所需的方向上产生，这种方法切割速度很快，并且不需要太高功率的激光，否则会引起工件表面熔化，破坏切缝边缘。
目前工业领域切割技术所用的激光器主要是CO2激光器和和Nd：YAG激光器两种，但无论是哪种激光器，切割的原理是相同的，都是利用高功率密度的激光束照射材料表面，在极短的时间内将材料加热至熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助高速气流吹除熔融物质，从而将工件割开（见图8-1c）。
激光切割过程中，激光切割区的示意图如图8-16所示，在切口终端处接近垂直的表面，称为烧蚀前沿。激光和气流在该处进入切口，一部分激光能量为烧蚀前沿所吸收，另一部分穿过切口或经烧蚀前沿向切口空间反射。烧蚀前沿的材料由吸收的激光和切割过程中的放热反应所加热而熔化或汽化，并被气流吹除。部分热量通过热传导传入基体材料，或通过辐射损耗以及对流换热被气流带走。此外，激光进入切口，四周被工件材料包围，除反射损失外，材料被加热蒸发还有可能形成小孔。在小孔内一部分激光直接被材料吸收，一部分在材料壁上多次被反射后吸收，这个小孔可看成充分吸收激光能量的黑体。熔化的材料被与光束同轴的气流吹除，在金属板的下方以锥形喷射出去。当激光束向前运动时，小孔前移并留下一条切缝。只要熔化产物能在它被冷气流凝固前去除，切割过程将继续进行，这时在金属板下方的射流锥形前方受到熔化金属的阻碍而变扁。随着热源移开，熔化金属冷却，表面张力加大，当熔化金属移除速度不够快时，便在切缝两侧形成挂渣。
图8-16 激光切割区的示意图
激光切割的工艺方法很多，根据切割原理的不同，激光切割技术可以分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光反应熔化切割与激光控制断裂切割四类。
激光汽化切割是利用高能密度的激光束加热工件，表面温度迅速上升，极短时间内达到材料的沸点，材料开始汽化并形成蒸气，在蒸气喷出的同时，材料上形成切口。这种技术多用于极薄的金属材料和非金属材料的切割。由于材料的汽化热一般很大，所以激光切割时需要很大的功率和能量密度。
激光熔化切割是利用激光加热使材料发生熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷射辅助气体将熔化金属吹出形成切口。激光熔化切割不需要使材料发生汽化，因此所需的功率密度要低，大约为107W/cm2，是汽化切割的1/10左右。
激光反应熔化切割也称为激光氧气切割，其原理类似于氧乙炔切割。这种方法主要用于钢的切割，是应用最广的激光切割方法。它是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。吹出的气体一方面与切割金属发生氧化反应，释放大量的氧化热，另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，形成切口。由于切割过程中的氧化产生了大量的热，所以激光反应熔化切割时所需要的能量只是熔化切割的1/2左右，而且切割速度要远远大于激光汽化切割和熔化切割。
激光控制断裂切割主要用来切割易受热破坏的脆性材料，比如玻璃和陶瓷。它是利用激光加热后在材料局部区域引起大的温度梯度和机械变形，导致材料形成裂纹，由此进行的高速可控的切断。只要通过加热保持均衡的温度梯度，激光束就可引导裂纹在任何所需的方向上产生，这种方法切割速度很快，并且不需要太高功率的激光，否则会引起工件表面熔化，破坏切缝边缘。
与其他方法相比，激光切割的特点是速度快，质量高，具体包括以下几个方面：
（1）切割质量好 由于激光光斑小，能量密度高，因此激光切割能够获得较好的切割质量，激光切割切口细窄，切割零件的尺寸精度可达到±0.05mm，割缝两边平行且与表面垂直，割缝宽度一般为0.1～0.2mm，边缘垂直度好，切割表面光洁美观、无毛刺，表面粗糙度一般控制在Ra12.5μm以上，零件无需机械加工，可直接使用。此外，激光切割的变形和热影响区很小，材料的性能几乎不受影响。
（2）切割速度快，效率高 激光切割速度极快，用1200W的激光器切割2mm厚的低碳钢板，切割速度可以达到0.6m/min。此外，考虑到激光切割时不需要装夹固定，也节省了上下料的辅助时间。此外，由于激光的传输特性，激光切割机上一般配有多台数控工作台，整个切割过程可以全部实现数控，操作时只需要改变数控程序就可以对不同形状、尺寸的零件进行切割，还可以实现三维切割。
（3）非接触式切割，绿色环保 激光切割时割炬与工件无直接接触，不存在工具的磨损。对于不同形状的零件，只需改变激光器的输出参数就可以进行切割。切割过程没有强烈的辐射、噪声和环境污染，为操作者提供了良好的工作场所。
激光切割技术的不足在于，激光切割设备费用高，一次性投资大。由于激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割薄板以及中小厚度的板材和管材，而且随着工件厚度的增加，切割速度明显下降。
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