激光切割 又名：LaserCutting

       激光切割技術采用激光束照射到鋼板表面時釋放的能量來使不銹鋼熔化并蒸發(fā)。激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率為500～2500瓦。該功率的水平比許多家用電暖氣所需要的功率還低，但是，通過透鏡和反射鏡，激光束聚集在很小的區(qū)域。能量的高度集中能夠進行迅速局部加熱，使不銹鋼蒸發(fā)。此外，由于能量非常集中，所以，僅有少量熱傳到鋼材的其它部分，所造成的變形很小或沒有變形。利用激光可以非常準確地切割復雜形狀的坯料，所切割的坯料不必再作進一步的處理。

       利用激光切割設備可切割4mm以下的不銹鋼，在激光束中加氧氣可切割8～10mm厚的不銹鋼，但加氧切割后會在切割面形成薄薄的氧化膜。切割的最大厚度可增加到16mm，但切割部件的尺寸誤差較大。

       激光切割設備的價格相當貴，約150美元以上。但是，由于降低了后續(xù)工藝處理的成本，所以，在大生產(chǎn)中采用這種設備還是可行的。由于沒有刀具加工成本，所以激光切割設備也適用生產(chǎn)小批量的原先不能加工的各種尺寸的部件。目前，激光切割設備通常采用計算機化數(shù)字控制技術（CNC）裝置，采用該裝置后，就可以利用電話線從計算機輔助設計（CAD）工作站來接受切割數(shù)據(jù)。

       CO2激光切割技術比其他方法的明顯優(yōu)點是：

        （1）切割質(zhì)量好。切口寬度窄（一般為0.1--0.5mm）、精度高（一般孔中心距誤差0.1--0.4mm,輪廓尺寸誤差0.1--0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般Ra為12.5--25μm）,切縫一般不需要再加工即可焊接。

       （2）切割速度快。例如采用2KW激光功率,8mm厚的碳鋼切割速度為1.6m/min；2mm厚的不銹鋼切割速度為3.5m/min,熱影響區(qū)小,變形極小。

       （3）清潔、安全、無污染。大大改善了操作人員的工作環(huán)境。當然就精度和切口表面粗糙度而言,CO2激光切割不可能超過電加工；就切割厚度而言難以達到火焰和等離子切割的水平。但是就以上顯著的優(yōu)點足以證明：CO2激光切割已經(jīng)和正在取代一部分傳統(tǒng)的切割工藝方法,特別是各種非金屬材料的切割。它是發(fā)展迅速,應用日益廣泛的一種先進加工方法。

        九十年代以來,由于我國社會主義市場經(jīng)濟的發(fā)展,企業(yè)間競爭激烈,每個企業(yè)必須根據(jù)自身條件正確選擇某些先進制造技術以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此CO2激光切割技術在我國獲得了較快的發(fā)展。

概述

原理

        激光切割是利用經(jīng)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、燒蝕或達到燃點，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實現(xiàn)將工件割開。激光切割屬于熱切割方法之一。

分類

        激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制斷裂四類。

        1.激光汽化切割

        利用高能量密度的激光束加熱工件，使溫度迅速上升，在非常短的時間內(nèi)達到材料的沸點，材料開始汽化，形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大，在蒸氣噴出的同時，在材料上形成切口。材料的汽化熱一般很大，所以激光汽化切割時需要很大的功率和功率密度。

        激光汽化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料（如紙、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。

        2.激光熔化切割

        激光熔化切割時，用激光加熱使金屬材料熔化，然后通過與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化性氣體（Ar、He、N等），依靠氣體的強大壓力使液態(tài)金屬排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金屬完全汽化，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屬的切割，如不銹鋼、鈦、鋁及其合金等。

        3.激光氧氣切割

        激光氧氣切割原理類似于氧乙炔切割。它是用激光作為預熱熱源，用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用，發(fā)生氧化反應，放出大量的氧化熱；另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應區(qū)吹出，在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應產(chǎn)生了大量的熱，所以激光氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度遠遠大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧氣切割主要用于碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。

        4.激光劃片與控制斷裂

        激光劃片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面進行掃描，使材料受熱蒸發(fā)出一條小槽，然后施加一定的壓力，脆性材料就會沿小槽處裂開。激光劃片用的激光器一般為Q開關激光器和CO2激光器。

        控制斷裂是利用激光刻槽時所產(chǎn)生的陡峭的溫度分布，在脆性材料中產(chǎn)生局部熱應力，使材料沿小槽斷開。

特點

        激光切割與其他熱切割方法相比較，總的特點是切割速度快、質(zhì)量高。具體概括為如下幾個方面。

        ⑴ 切割質(zhì)量好

        由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能夠獲得較好的切割質(zhì)量。

        ① 激光切割切口細窄，切縫兩邊平行并且與表面垂直，切割零件的尺寸精度可達±0.05mm。

        ② 切割表面光潔美觀，表面粗糙度只有幾十微米，甚至激光切割可以作為最后一道工序，無需機械加工，零部件可直接使用。

        ③ 材料經(jīng)過激光切割后，熱影響區(qū)寬度很小，切縫附近材料的性能也幾乎不受影響，并且工件變形小，切割精度高，切縫的幾何形狀好，切縫橫截面形狀呈現(xiàn)較為規(guī)則的長方形。激光切割、氧乙炔切割和等離子切割方法的比較見表1，切割材料為6.2mm厚的低碳鋼板。

        ⑵ 切割效率高由于激光的傳輸特性，激光切割機上一般配有多臺數(shù)控工作臺，整個切割過程可以全部實現(xiàn)數(shù)控。操作時，只需改變數(shù)控程序，就可適用不同形狀零件的切割，既可進行二維切割，又可實現(xiàn)三維切割。

        ⑶ 切割速度快

        用功率為1200W的激光切割2mm厚的低碳鋼板，切割速度可達600cm/min；切割5mm厚的聚丙烯樹脂板，切割速度可達1200cm/min。材料在激光切割時不需要裝夾固定，既可節(jié)省工裝夾具，又節(jié)省了上、下料的輔助時間。

        ⑷ 非接觸式切割

        激光切割時割炬與工件無接觸，不存在工具的磨損。加工不同形狀的零件，不需要更換“刀具”，只需改變激光器的輸出參數(shù)。激光切割過程噪聲低，振動小，無污染。

        ⑸ 切割材料的種類多

        與氧乙炔切割和等離子切割比較，激光切割材料的種類多，包括金屬、非金屬、金屬基和非金屬基復合材料、皮革、木材及纖維等。但是對于不同的材料，由于自身的熱物理性能及對激光的吸收率不同，表現(xiàn)出不同的激光切割適應性。采用CO2激光器，各種材料的激光切割性能見表2。

        ⑹ 缺點激光切割由于受激光器功率和設備體積的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，而且隨著工件厚度的增加，切割速度明顯下降。

        激光切割設備費用高，一次性投資大。

主要特性

        切縫窄工件變形小

        激光束聚焦成很小的光點，使焦點處達到很高的功率密度。這時光束輸入的熱量遠遠超過被材料反射、傳導或擴散的部分，材料很快加熱至汽化程度，蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫。切邊受熱影響很小，基本沒有工件變形。

        切割過程中還添加與被切材料相適合的輔助汽體。鋼切割時利用氧作為輔助汽體與熔融金屬產(chǎn)生放熱化學反應氧化材料，同時幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣。切割聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣，棉、紙等易燃材料切割使用惰性汽體。進入噴嘴的輔助汽體還能冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導致鏡片過熱。

        大多數(shù)有機與無機材料都可以用激光切割。在工業(yè)制造系統(tǒng)占有份量很重的金屬加工業(yè)，許多金屬材料，不管它是什么樣的硬度，都可以進行無變形切割。當然，對高反射率材料，如金、銀、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導體，因此激光切割很困難，甚至不能切割。激光切割無毛刺、皺折、精度高，優(yōu)于等離子切割。對許多機電制造行業(yè)來說，由于微機程序控制的現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件，它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用；盡管它加工速度還慢于模沖，但它沒有模具消耗，無須修理模具，還節(jié)約更換模具時間，從而節(jié)省了加工費用，降低了生產(chǎn)成本，所以從總體上考慮是更合算的。

        無接觸加工

        激光束聚焦后形成具有極強能量的很小作用點，把它應用于切割有許多特點。首先，激光光能轉換成驚人的熱能保持在極小的區(qū)域內(nèi)，可提供⑴狹的直邊割縫；⑵最小的鄰近切邊的熱影響區(qū)；⑶極小的局部變形。其次，激光束對工件不施加任何力，它是無接觸切割工具，這就意味著⑴工件無機械變形；⑵無刀具磨損，也談不上刀具的轉換問題；⑶切割材料無須考慮它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料的硬度影響，任何硬度的材料都可以切割。再次，激光束可控性強，并有高的適應性和柔性，因而⑴與自動化設備相結合很方便，容易實現(xiàn)切割過程自動化；⑵由于不存在對切割工件的限制，激光束具有無限的仿形切割能力；⑶與計算機結合，可整張板排料，節(jié)省材料。

        適應性和靈活性

        與其它常規(guī)加工方法相比，激光切割具有更大的適應性。首先，與其他熱切割方法相比，同樣作為熱切割過程，別的方法不能象激光束那樣作用于一個極小的區(qū)域，結果導致切口寬、熱影響區(qū)大和明顯的工件變形。激光能切割非金屬，而其它熱切割方法則不能。

        一般來說，激光切割質(zhì)量可以由以下6個標準來衡量。

        ⒈切割表面粗糙度Rz

        ⒉切口掛渣尺寸

        ⒊切邊垂直度和斜度u

        ⒋切割邊緣圓角尺寸r

        ⒌條紋后拖量n

        ⒍平面度F

應用范圍

        大多數(shù)激光切割機都由數(shù)控程序進行控制操作或做成切割機器人。激光切割作為一種精密的加工方法，幾乎可以切割所有的材料，包括薄金屬板的二維切割或三維切割。

        在汽車制造領域，小汽車頂窗等空間曲線的切割技術都已經(jīng)獲得廣泛應用。德國大眾汽車公司用功率為500W的激光器切割形狀復雜的車身薄板及各種曲面件。在航空航天領域，激光切割技術主要用于特種航空材料的切割，如鈦合金、鋁合金、鎳合金、鉻合金、不銹鋼、氧化鈹、復合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有發(fā)動機火焰筒、鈦合金薄壁機匣、飛機框架、鈦合金蒙皮、機翼長桁、尾翼壁板、直升機主旋翼、航天飛機陶瓷隔熱瓦等。

        激光切割成形技術在非金屬材料領域也有著較為廣泛的應用。不僅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；還能切割加工柔性材料，如布料、紙張、塑料板、橡膠等，如用激光進行服裝剪裁，可節(jié)約衣料10%～12%，提高功效3倍以上。

CO2激光切割的工業(yè)應用

       世界第一臺CO2激光切割機是二十世紀七十年代的誕生的。三十多年來,由于應用領域的不斷擴大,CO2激光切割機不斷改進,目前國際國內(nèi)已有多家企業(yè)從事生產(chǎn)各種CO2激光切割機以滿足市場的需求,有二維平板切割機、三維空間曲線切割機、管子切割機等。國外知名企業(yè)有德國Trumpf公司、意大利Prima公司、瑞士Bystronic公司、日本Amada公司、MAZAK公司、NTC公司、澳大利亞HG Laser Lab公司等。目前國內(nèi)能提供平板切割機的企業(yè)有上海團結普瑞瑪公司、沈陽普瑞瑪公司、濟南捷邁公司、武漢楚天公司等。根據(jù)美國激光工業(yè)應用權威雜志“Industrial Laser Solution”2000年度報告統(tǒng)計：1999年全世界共銷售的激光切割系統(tǒng)（主要是CO2激光切割系統(tǒng)）為3325臺,共11.74億美元。據(jù)不完全統(tǒng)計我國目前每年生產(chǎn)CO2激光切割機近100臺,共1.5億元人民幣。雖然激光切割的發(fā)展趨勢較快,但應用水平與發(fā)達國家相比差距較大。至2003年我國已在工業(yè)生產(chǎn)中使用的CO2激光切割系統(tǒng)累計已達500臺左右,約占全世界正運行系統(tǒng)總量的1.5%。

CO2激光切割系統(tǒng)的購置者

       單位：一類是大中型制造企業(yè),這些企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品中有大量板材需要下料、切料,并且具有較強的經(jīng)濟和技術實力；

       另一類單位是加工站（國外稱Job Shop）,加工站是專門對外承接激光加工業(yè)務的,自身無主導產(chǎn)品。它的存在一方面可滿足一些中小企業(yè)加工的需要；一方面在初期對推廣應用激光切割技術起到宣傳示范的作用。1999年美國全國共有激光加工站2700家,其中51%從事激光切割工作。八十年代我國激光加工站主要從事激光熱處理工作,九十年代后,激光切割及攻站逐步增加。在此基礎上隨著我國大中型企業(yè)體制改革的深入和經(jīng)濟實力的增強,越來越多的企業(yè)將采用CO2激光切割技術。

       從目前國內(nèi)應用情況分析,CO2激光切割廣泛應用于12mm厚的低碳鋼板;6mm厚的不銹鋼板及；20mm厚的非金屬材料。對于三維空間曲線的切割,在汽車、航空工業(yè)中也開始獲得了應用。

 目前適合采用CO2激光切割的產(chǎn)品大體上可歸納為三類：

       第一類：從技術經(jīng)濟角度不宜制造模具的金屬鈑金件,特別是輪廓形狀復雜,批量不大,一般厚度;12mm的低碳鋼、;6mm厚的不銹鋼,以節(jié)省制造模具的成本與周期。已采用的典型產(chǎn)品有：自動電梯結構件、升降電梯面板、機床及糧食機械外罩、各種電氣柜、開關柜、紡織機械零件、工程機械結構件、大電機硅鋼片等。

       第二類：裝飾、廣告、服務行業(yè)用的不銹鋼（一般厚度3mm）或非金屬材料（一般厚度20mm）的圖案、標記、字體等。如藝術照相冊的圖案,公司、單位、賓館、商場的標記,車站、碼頭、公共場所的中英文字體。

       第三類：要求均勻切縫的特殊零件。最廣泛應用的典型零件是包裝印刷行業(yè)用的模切版,它要求在20mm厚的木模板上切出縫寬為0.7~0.8mm的槽,然后在槽中鑲嵌刀片。使用時裝在模切機上,切下各種已印刷好圖形的包裝盒。國內(nèi)近年來應用的一個新領域是石油篩縫管。為了擋住泥沙進入抽油泵,在壁厚為6~9mm的合金鋼管上切出0.3mm寬的均勻切縫,起割穿孔處小孔直徑不能大于0.3mm,切割技術難度大,已有不少單位投入生產(chǎn)。

國外除上述應用外,還在不斷擴展其應用領域。

       （1）采用三維激光切割系統(tǒng)或配置工業(yè)機器人,切割空間曲線,開發(fā)各種三維切割軟件,以加快從畫圖到切割零件的過程。 

       （2）為了提高生產(chǎn)效率,研究開發(fā)各種專用切割系統(tǒng),材料輸送系統(tǒng),直線電機驅(qū)動系統(tǒng)等,目前切割系統(tǒng)的切割速度已超過100m/min。

       （3）為擴展工程機械、造船工業(yè)等的應用,切割低碳鋼厚度已超過30mm,并特別注意研究用氮氣切割低碳鋼的工藝技術,以提高切割厚板的切口質(zhì)量。因此在我國擴大CO2激光切割的工業(yè)應用領域,解決新的應用中一些技術難題仍然是工程技術人員的重要課題。

CO2激光切割的幾項關鍵技術

       激光束的參數(shù)、機器與數(shù)控系統(tǒng)的性能和精度都直接影響激光切割的效率和質(zhì)量。特別是對于切割精度較高或厚度較大的零件,必須掌握和解決以下幾項關鍵技術： 1、焦點位置控制技術：激光切割的優(yōu)點之一是光束的能量密度高,一般10W/cm2。由于能量密度與4/πd2成正比,所以焦點光斑直徑盡可能的小,以便產(chǎn)生一窄的切縫；同時焦點光斑直徑還和透鏡的焦深成正比。聚焦透鏡焦深越小,焦點光斑直徑就越小。但切割有飛濺,透鏡離工件太近容易將透鏡損壞,因此一般大功率CO2激光切割工業(yè)應用中廣泛采用5〃~7.5〃〞(127~190mm)的焦距。實際焦點光斑直徑在0.1~0.4mm之間。對于高質(zhì)量的切割,有效焦深還和透鏡直徑及被切材料有關。例如用5〃的透鏡切碳鋼,焦深為焦距的+2%范圍內(nèi),即5mm左右。因此控制焦點相對于被切材料表面的位置十分重要。顧慮到切割質(zhì)量、切割速度等因素,原則上6mm的金屬材料,焦點在表面上； 6mm的碳鋼,焦點在表面之上； 6mm的不銹鋼,焦點在表面之下。具體尺寸由實驗確定。

       在工業(yè)生產(chǎn)中確定焦點位置的簡便方法有三種：（1）打印法：使切割頭從上往下運動,在塑料板上進行激光束打印,打印直徑最小處為焦點。（2）斜板法：用和垂直軸成一角度斜放的塑料板使其水平拉動,尋找激光束的最小處為焦點。（3）藍色火花法：去掉噴嘴,吹空氣,將脈沖激光打在不銹鋼板上,使切割頭從上往下運動,直至藍色火花最大處為焦點。對于飛行光路的切割機,由于光束發(fā)散角,切割近端和遠端時光程長短不同,聚焦前的光束尺寸有一定差別。入射光束的直徑越大,焦點光斑的直徑越小。為了減少因聚焦前光束尺寸變化帶來的焦點光斑尺寸的變化,國內(nèi)外激光切割系統(tǒng)的制造商提供了一些專用的裝置供用戶選用：

       （1）平行光管。這是一種常用的方法,即在CO2激光器的輸出端加一平行光管進行擴束處理,擴束后的光束直徑變大,發(fā)散角變小,使在切割工作范圍內(nèi)近端和遠端聚焦前光束尺寸接近一致。

       （2）在切割頭上增加一獨立的移動透鏡的下軸,它與控制噴嘴到材料表面距離（stand off）的Z軸是兩個相互獨立的部分。當機床工作臺移動或光軸移動時,光束從近端到遠端F軸也同時移動,使光束聚焦后光斑直徑在整個加工區(qū)域內(nèi)保持一致。 

       （3）控制聚焦鏡（一般為金屬反射聚焦系統(tǒng)）的水壓。若聚焦前光束尺寸變小而使焦點光斑直徑變大時,自動控制水壓改變聚焦曲率使焦點光斑直徑變小。

       （4）飛行光路切割機上增加x、y方向的補償光路系統(tǒng)。即當切割遠端光程增加時使補償光路縮短；反之當切割近端光程減小時,使補償光路增加,以保持光程長度一致。

切割穿孔技術

       任何一種熱切割技術,除少數(shù)情況可以從板邊緣開始外,一般都必須在板上穿一小孔。早先在激光沖壓復合機上是用沖頭先沖出一孔,然后再用激光從小孔處開始進行切割。對于沒有沖壓裝置的激光切割機有兩種穿孔的基本方法： 

       （1）爆破穿孔：(Blast drilling)，材料經(jīng)連續(xù)激光的照射后在中心形成一凹坑,然后由與激光束同軸的氧流很快將熔融材料去除形成一孔。一般孔的大小與板厚有關,爆破穿孔平均直徑為板厚的一半,因此對較厚的板爆破穿孔孔徑較大,且不圓,不宜在要求較高的零件上使用（如石油篩縫管）,只能用于廢料上。此外由于穿孔所用的氧氣壓力與切割時相同,飛濺較大。

       （2）脈沖穿孔：（Pulse drilling）采用高峰值功率的脈沖激光使少量材料熔化或汽化,常用空氣或氮氣作為輔助氣體,以減少因放熱氧化使孔擴展,氣體壓力較切割時的氧氣壓力小。每個脈沖激光只產(chǎn)生小的微粒噴射,逐步深入,因此厚板穿孔時間需要幾秒鐘。一旦穿孔完成,立即將輔助氣體換成氧氣進行切割。這樣穿孔直徑較小,其穿孔質(zhì)量優(yōu)于爆破穿孔。為此所使用的激光器不但應具有較高的輸出功率；更重要的時光束的時間和空間特性,因此一般橫流CO2激光器不能適應激光切割的要求。此外脈沖穿孔還須要有較可靠的氣路控制系統(tǒng),以實現(xiàn)氣體種類、氣體壓力的切換及穿孔時間的控制。在采用脈沖穿孔的情況下,為了獲得高質(zhì)量的切口,從工件靜止時的脈沖穿孔到工件等速連續(xù)切割的過渡技術應以重視。從理論上講通?？筛淖兗铀俣蔚那懈顥l件：如焦距、噴嘴位置、氣體壓力等,但實際上由于時間太短改變以上條件的可能性不大。在工業(yè)生產(chǎn)中主要采用改變激光平均功率的辦法比較現(xiàn)實,具體方法有以下三種：（1）改變脈沖寬度；（2）改變脈沖頻率；（3）同時改變脈沖寬度和頻率。實際結果表明,第（3）種效果最好。

噴嘴設計及氣流控制技術

       激光切割鋼材時,氧氣和聚焦的激光束是通過噴嘴射到被切材料處,從而形成一個氣流束。對氣流的基本要求是進入切口的氣流量要大,速度要高,以便足夠的氧化使切口材料充分進行放熱反應；同時又有足夠的動量將熔融材料噴射吹出。因此除光束的質(zhì)量及其控制直接影響切割質(zhì)量外,噴嘴的設計及氣流的控制（如噴嘴壓力、工件在氣流中的位置等）也是十分重要的因素。目前激光切割用的噴嘴采用簡單的結構,即一錐形孔帶端部小圓孔（如圖4）。通常用實驗和誤差方法進行設計。由于噴嘴一般用紫銅制造,體積較小,是易損零件,需經(jīng)常更換,因此不進行流體力學計算與分析。在使用時從噴嘴側面通入一定壓力Pn(表壓為Pg)的氣體,稱噴嘴壓力,從噴嘴出口噴出,經(jīng)一定距離到達工件表面,其壓力稱切割壓力Pc,最后氣體膨脹到大氣壓力Pa。研究工作表明隨著Pn的增加,氣流流速增加,Pc也不斷增加。

       可用下列公式計算： V=8.2d2(Pg+1)

       V-氣體流速 L/min

       d-噴嘴直徑 mm

       Pg-噴嘴壓力（表壓）bar

       對于不同的氣體有不同的壓力閾值,當噴嘴壓力超過此值時,氣流為正常斜激波,氣流速從亞音速向超音速過渡。此閾值與Pn、Pa比值及氣體分子的自由度（n）兩因素有關：如氧氣、空氣的n=5,因此其閾值Pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar。當噴嘴壓力更高Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2時（Pn；4bar）,氣流正常斜激波封變?yōu)檎げ?切割壓力Pc下降,氣流速度減低,并在工件表面形成渦流,削弱了氣流去除熔融材料的作用,影響了切割速度。因此采用錐孔帶端部小圓孔的噴嘴,其氧氣的噴嘴壓力常在3bar以下。

       為進一步提高激光切割速度,可根據(jù)空氣動力學原理,在提高噴嘴壓力的前提下不產(chǎn)生正激波,設計制造一種縮放型噴嘴,即拉伐爾（Laval）噴嘴。為方便制造可采用如圖4的結構。德國漢諾威大學激光中心使用500WCO2激光器,透鏡焦距2.5〃,采用小孔噴嘴和拉伐爾噴嘴分別作了試驗,見圖4。試驗結果如圖5所示：分別表示NO2、NO4、NO5噴嘴在不同的氧氣壓力下,切口表面粗糙度Rz與切割速度Vc的函數(shù)關系。從圖中可以看出NO2小孔噴嘴在Pn為400Kpa（或4bar）時切割速度只能達到2.75m/min（碳鋼板厚為2mm）。NO4、NO5二種拉伐爾噴嘴在Pn為500Kpa到600Kpa時切割速度可達到3.5m/min和5.5m/min。應指出的是切割壓力Pc還是工件與噴嘴距離的函數(shù)。由于斜激波在氣流的邊界多次反射,使切割壓力呈周期性的變化。

       第一高切割壓力區(qū)緊鄰噴嘴出口,工件表面至噴嘴出口的距離約為0.5~1.5mm,切割壓力Pc大而穩(wěn)定,是目前工業(yè)生產(chǎn)中切割手扳常用的工藝參數(shù)。第二高切割壓力區(qū)約為噴嘴出口的3~3.5mm,切割壓力Pc也較大,同樣可以取得好的效果,并有利于保護透鏡,提高其使用壽命。曲線上的其他高切割壓力區(qū)由于距噴嘴出口太遠,與聚焦光束難以匹配而無法采用。 

       綜上所述,CO2激光器切割技術正在我國工業(yè)生產(chǎn)中得到越來越多的應用,國外正研究開發(fā)更高切割速度和更厚鋼板的切割技術與裝置。為了滿足工業(yè)生產(chǎn)對質(zhì)量和生產(chǎn)效率越來越高的要求,必須重視解決各種關鍵技術及執(zhí)行質(zhì)量標準,以使這一新技術在我國獲得更廣泛的應用。

激光切割的主要工藝

汽化切割

       在高功率密度激光束的加熱下，材料表面溫度升至沸點溫度的速度是如此之快，足以避免熱傳導造成的熔化，于是部分材料汽化成蒸汽消失，部分材料作為噴出物從切縫底部被輔助氣體流吹走。一些不能熔化的材料，如木材、碳素材料和某些塑料就是通過這種汽化切割方法切割成形的。

       汽化切割過程中，蒸汽隨身帶走熔化質(zhì)點和沖刷碎屑，形成孔洞。汽化過程中，大約40%的材料化作蒸汽消失，而有60%的材料是以熔滴的形式被氣流驅(qū)除的。

熔化切割

       當入射的激光束功率密度超過某一值后，光束照射點處材料內(nèi)部開始蒸發(fā)，形成孔洞。一旦這種小孔形成，它將作為黑體吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金屬壁所包圍，然后，與光束同軸的輔助氣流把孔洞周圍的熔融材料帶走。隨著工件移動，小孔按切割方向同步橫移形成一條切縫。激光束繼續(xù)沿著這條縫的前沿照射，熔化材料持續(xù)或脈動地從縫內(nèi)被吹走。

氧化熔化切割 

       熔化切割一般使用惰性氣體，如果代之以氧氣或其它活性氣體，材料在激光束的照射下被點燃，與氧氣發(fā)生激烈的化學反應而產(chǎn)生另一熱源，稱為氧化熔化切割。具體描述如下：

       （1）材料表面在激光束的照射下很快被加熱到燃點溫度，隨之與氧氣發(fā)生激烈的燃燒反應，放出大量熱量。在此熱量作用下，材料內(nèi)部形成充滿蒸汽的小孔，而小孔的周圍為熔融的金屬壁所包圍。

       （2）燃燒物質(zhì)轉移成熔渣控制氧和金屬的燃燒速度，同時氧氣擴散通過熔渣到達點火前沿的快慢也對燃燒速度有很大的影響。氧氣流速越高，燃燒化學反應和去除熔渣的速度也越快。當然，氧氣流速不是越高越好，因為流速過快會導致切縫出口處反應產(chǎn)物即金屬氧化物的快速冷卻，這對切割質(zhì)量也是不利的。

        （3）顯然，氧化熔化切割過程存在著兩個熱源，即激光照射能和氧與金屬化學反應產(chǎn)生的熱能。據(jù)估計，切割鋼時，氧化反應放出的熱量要占到切割所需全部能量的60%左右。

       很明顯，與惰性氣體比較，使用氧作輔助氣體可獲得較高的切割速度。

       （4）在擁有兩個熱源的氧化熔化切割過程中，如果氧的燃燒速度高于激光束的移動速度，割縫顯得寬而粗糙。如果激光束移動的速度比氧的燃燒速度快，則所得切縫狹而光滑。

控制斷裂切割 

       對于容易受熱破壞的脆性材料，通過激光束加熱進行高速、可控的切斷，稱為控制斷裂切割。這種切割過程主要內(nèi)容是：激光束加熱脆性材料小塊區(qū)域，引起該區(qū)域大的熱梯度和嚴重的機械變形，導致材料形成裂縫。只要保持均衡的加熱梯度，激光束可引導裂縫在任何需要的方向產(chǎn)生。  

       要注意的是，這種控制斷裂切割不適合切割銳角和角邊切縫。切割特大封閉外形也不容易獲得成功?？刂茢嗔亚懈钏俣瓤?，不需要太高的功率，否則會引起工件表面熔化，破壞切縫邊緣。其主要控制參數(shù)是激光功率和光斑尺寸大小。

競爭優(yōu)勢

       激光切割機是鈑金加工的一次工藝革命，是鈑金加工中的“加工中央”；激光切割機柔性化程度高，切割速度快，出產(chǎn)效率高，產(chǎn)品出產(chǎn)周期短，為客戶贏得了廣泛的市場，該技術的有效生命期長，國外超過2毫米厚度的板材大都采用激光切割機，很多國外的專家一致以為今后30-40年是激光加工技術發(fā)展的黃金時期。

       一般來講，建議以12mm以內(nèi)的碳鋼板、10mm以內(nèi)的不銹鋼板等金屬材料切割推薦使用激光切割機。激光切割機無切削力，加工無變形：無刀具磨損，材料適應性好：無論是簡樸還是復雜零件，都可以用激光一次精密快速成型切割：其切縫窄，切割質(zhì)量好，自動化程度高，操縱簡便，勞動強度低，沒有污染：可實現(xiàn)切割自動排樣、套料、進步了材料利用率，出產(chǎn)本錢低，經(jīng)濟效益好。

       激光切割機選購要考慮的因素很多，除了要考慮目前加工工件的最大尺寸、材質(zhì)、需要切割的最大厚度以及原材料幅面的大小外，更多的需要考慮未來的發(fā)展方向，比如所做產(chǎn)品的技術改型后要加工的最大工件大小、鋼材市場所提供材料的幅面針對自己的產(chǎn)品哪種最省料，上下料時間等等。

激光切割設備

       激光切割設備是利用高功率密度激光束照射被切割材料，使其迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點，并通過與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實現(xiàn)對工件的切割。這種設備在現(xiàn)代工業(yè)中具有廣泛的應用，以其切割速度快、質(zhì)量高、適應性強等特點而受到青睞。以下是對激光切割設備的詳細介紹：

一、激光切割設備的工作原理

       激光切割設備的工作原理基于激光與物質(zhì)的相互作用。高功率密度的激光束聚焦在被切割材料上，使材料在極短的時間內(nèi)被加熱至汽化溫度，形成孔洞。隨著光束的移動，孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫，從而完成對材料的切割。根據(jù)切割過程中激光與物質(zhì)相互作用的不同機制，激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制斷裂四類。

二、激光切割設備的種類

       激光切割設備種類繁多，根據(jù)不同的分類標準可以分為多種類型：

       1、按切割材料類型分類：分為金屬激光切割機和非金屬激光切割機。金屬激光切割機主要用于切割金屬板材、管材等，而非金屬激光切割機則適用于切割塑料、木材、布料等非金屬材料。

       2、按激光器類型分類：主要包括光纖激光切割機、CO2氣體激光切割機等。光纖激光切割機以其光束質(zhì)量好、轉換效率高、維護成本低等優(yōu)點在工業(yè)領域得到廣泛應用；而CO2氣體激光切割機則適用于切割較厚的金屬板材。

       3、按激光器輸出功率分類：分為高功率激光切割機、中功率激光切割機、低小功率激光切割機。不同功率的激光切割機適用于不同的切割需求和應用場景。

       4、按切割板材幅面分類：分為標準幅面激光切割機和大幅面激光切割機。大幅面激光切割機適用于切割大尺寸的板材，而標準幅面激光切割機則適用于切割中等尺寸的板材。

       5、按切割板材幾何形狀分類：分為平面激光切割機和三維激光切割機。平面激光切割機適用于切割平面板材，而三維激光切割機則能夠切割三維形狀的工件。

三、激光切割設備的應用領域

       激光切割設備以其廣泛的應用范圍和卓越的切割性能，在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮著重要作用。其應用領域包括但不限于：

       工藝品行業(yè)：切割木質(zhì)、竹片、骨頭、皮革等材質(zhì)，制作精致獨特的工藝品。

       廣告行業(yè)：精準切割木板、雙色板、彩色紙等廣告材料，制作標牌、水晶獎杯等廣告產(chǎn)品。

       服裝行業(yè)：處理布料的切割和鏤空任務，為時尚設計提供新的解決方案。

       光電行業(yè)：用于鋁邊框的精細加工和亞克力導光板的制作等。

       金屬加工行業(yè)：切割金屬板材、管材等，廣泛應用于汽車制造、航空航天、船舶制造等領域。

四、知名激光切割設備品牌

       目前市場上知名的激光切割設備品牌眾多，包括但不限于：TRUMPF通快、大族激光Hanslaser、華工激光HGTECH、Bystronic百超、奔騰激光PENTA LASER、PrimaPower普瑪寶、AMADA天田、Mazak馬扎克、Messer梅塞爾、金威刻激光G·WEIKE等。這些品牌以其優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品性能、完善的售后服務和強大的技術支持在市場上占據(jù)領先地位。

五、購買激光切割設備的注意事項

       在購買激光切割設備時，需要注意以下幾點：

       1、明確切割需求：根據(jù)自身的生產(chǎn)需求明確切割材料種類、厚度范圍和切割精度等要求。

       2、選擇知名品牌：優(yōu)先選擇知名品牌的產(chǎn)品，以確保設備的質(zhì)量和售后服務。

       3、關注核心部件：激光器、激光頭、控制系統(tǒng)和電機等核心部件的性能直接影響設備的切割效果和使用壽命。

       4、考察售后服務：了解廠家的售后服務網(wǎng)絡、響應速度和維修能力等信息，確保設備在使用過程中能夠得到及時有效的支持。

       5、合理預算：根據(jù)自身的預算范圍選擇合適的設備型號和配置，避免盲目追求高端配置而超出預算范圍。

       綜上所述，激光切割設備以其獨特的工作原理、廣泛的應用領域和卓越的性能特點在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮著重要作用。在購買和使用過程中需要注意相關事項以確保設備的正常運行和切割效果。

激光切割就業(yè)

       激光切割就業(yè)主要涉及激光切割機行業(yè)及其相關崗位。以下是對激光切割就業(yè)的詳細分析：

一、激光切割機行業(yè)概況

       市場規(guī)模：據(jù)中研產(chǎn)業(yè)研究院等機構發(fā)布的數(shù)據(jù)，我國激光切割機行業(yè)市場規(guī)模持續(xù)增長，預計2023-2028年將以5%的年復合增長率增長，至2028年底市場規(guī)模有望增長至368.2億元。

       應用領域：激光切割機被廣泛應用于金屬加工、汽車制造、電子設備、家電、航空航天、軌道交通等多個領域。隨著這些行業(yè)的不斷擴張，對高效、精確切割技術的需求也在增加。

       技術趨勢：激光切割機行業(yè)正朝著大幅面、高功率、高效率、高智能化方向發(fā)展。隨著激光技術的不斷創(chuàng)新和提升，激光切割機的切割質(zhì)量和效率都得到了顯著提高。

二、激光切割就業(yè)崗位

       激光切割工：這是激光切割機行業(yè)中最基礎的崗位之一。激光切割工負責操作激光切割機進行材料切割，需要具備一定的機械操作技能和安全意識。根據(jù)職友集等招聘網(wǎng)站的數(shù)據(jù)，激光切割工的月薪普遍在4.5-8K之間，年薪在5-10W左右。

       激光切割師：相對于激光切割工，激光切割師需要具備更高的專業(yè)技能和經(jīng)驗。他們負責激光切割機的調(diào)試、維護和故障排除等工作，確保設備的正常運行。激光切割師的月薪普遍在6-10K之間，年薪在7-12W左右。

       其他相關崗位：還包括激光切割設備銷售人員、激光切割機研發(fā)工程師、激光切割機售后服務人員等。這些崗位對求職者的專業(yè)技能、溝通能力、服務意識等方面都有不同的要求。

三、激光切割就業(yè)前景

       市場需求增長：隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展和升級，對激光切割技術的需求也在不斷增加。因此，激光切割就業(yè)市場呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長的趨勢。

       薪資待遇提升：雖然激光切割工的月薪普遍在4.5-8K之間，但隨著工作經(jīng)驗和技能的提升，薪資待遇也會逐漸提高。同時，一些高端崗位如激光切割師、激光切割機研發(fā)工程師等薪資待遇更為優(yōu)厚。

       職業(yè)發(fā)展機會：在激光切割機行業(yè)工作，不僅可以積累豐富的實踐經(jīng)驗，還可以接觸到最新的激光切割技術和設備。這為求職者提供了廣闊的職業(yè)發(fā)展空間和晉升機會。

       綜上所述，激光切割就業(yè)市場呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長的趨勢，為求職者提供了豐富的崗位選擇和職業(yè)發(fā)展機會。然而，隨著行業(yè)競爭的加劇和技術的不斷更新?lián)Q代，求職者需要不斷提升自己的專業(yè)技能和綜合素質(zhì)以適應行業(yè)發(fā)展的需求。