激光切割原理(光纤激光切割的工艺参数及规律)

Posted 2023-06-01

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激光切割原理(光纤激光切割的工艺参数及规律)

激光切割原理

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，其工作原理图如下图示[1]。

[1]陈家璧，彭润玲，等.激光原理及应用[J]. 电子工业出版社,2008:174.

激光切割的分类
　　

1）汽化切割
　　利用高能密度的激光束加热工件。在短的时间内汽化，形成蒸气。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。
　　

2）熔化切割
　　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（氩气、氦气、氮气等），依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。所需能量约为汽化切割的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、铝及相关合金等。
　　

3）氧气切割
　　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。喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，而切割速度一般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。

激光切割的相关工艺参数

激光功率及光束聚焦特性

激光输出功率

激光输出功率直接影响激光切割机的性能。通常，随板厚的增加，所需的激光功率也越大。在同种同厚度板材切割中，激光输出功率越大，切割速度越快，切割端面也越光滑；但在输出功率确定后，切割速度须和材料材质及其厚度吻合好，此时才能达到最好的切割效果，速度过快和过慢都会影响激光切割的效果。

激光输出模式

单模是指在一条光纤上运行一种波长的模态，多模是指在一条光纤线上运行一种以上波长的模态。通常，单模激光光束质量好，形成的光斑小，适合进行微加工及薄板切割，且加工精度高；多模激光则适合金属焊接、工业零部件热处理及不锈钢、铝、钢材等厚板材料的高质量切割。

激光输出及光束聚焦特性

焦点大小及焦深长度

在激光切割中，焦点位置对材料的切割效果影响很大，不同的材质或厚度，激光切割时对应不同的焦点位置。

激光切割中，焦点大小和焦深是影响切割效果和效率的重要因素之一。光束经短焦距聚焦镜后光斑直径相对较小、焦深短，焦点处功率密度很高，则有利于高速切割薄型材料，且切割精度高。经长焦距透镜后，焦点有较长的焦深，但焦点直径相对较大，只要具有足够功率密度，则比较适合切割厚工件。

焦点位置

通常焦点位置

与切割面的关系

小结：

切割薄板时，焦点一般在工件表面处；切割厚板时，不锈钢焦点通常深入板内约为板厚的1/3—1/4处，处于负离焦距范围；碳钢时，焦点在其板面上方，且随板厚度的增加焦点越远离板面，处于正离焦范围。

辅助气体及配置

激光切割机的中，与激光输出同轴的辅助气体不但可吹走割缝内的熔渣，还能冷却加工物体表面，减少热影响区，冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。

气体种类与压力的选择对切割工艺也有重要的影响。选择辅助气体的种类及相应气压大小的匹配将对切割的性能，包括切割的精度、速度及切割厚度等都会产生一定的影响。

气体种类

一般情况下，激光切割过程都需要使用辅助气体，气体的选择须根据不同的材质来确定。激光切割中通常使用的辅助气体有氧气、氮气、空气等，其效果及功能如下：

1、氧气
主要用于激光切割机切割碳钢。利用氧气反应热大幅面提高切割效率的同时，产生的氧化膜会提高反射材料的光束光谱吸收因数。切口端面发黑或者暗黄色。
主要适用压延钢材，熔接构造用压延钢材，机械构造用碳钢，高张力板，工具板，不锈钢，电镀钢板，铜，铜合金等。

2、氮气
一些金属在切割的时候采用氧气会在切割面上形成氧化膜，采用氮气就可以进行防止氧化膜出现的无氧化切割。无氧化切割面具有可以直接进行熔接、涂抹，耐腐蚀性强等特点。切口端面发白。
主要适用的板材有不锈钢，电镀钢板，黄铜，铝，铝合金等。

3、空气
空气可由空气压缩机直接提供，所以与其他气体相比价格非常便宜。虽然空气中大约含有20%的氧气，但是切割效率远不及氧气，切割能力与氮气相近。切割面会出现微量氧化膜，但可作为防止涂膜层脱落的一项措施。切口端面发黄。
主要适用的材料有铝，铝合金，不锈钢，黄铜，电镀钢板，非金属等。

4、氩气
氩气为惰性气体，在激光切割机切割中用于防止氧化和氮化，在熔接中也使用，与其他加工气体相比，价格粳稻，相应增加成本。切口端面发白。

主要适用的材料是钛，钛合金等。

辅助气体及配置

气压大小及高、低压

一般使用氧气切割普通碳钢，低压打孔，高压切割；使用空气切割非金属，低压和高压的压力可调为一样；使用氮气切割不锈钢等，低压氧气打孔。

激光切割对辅助气流的基本要求是：进入切口的气流量大、速度高，以便有足够的动量将熔融材料喷射带出。辅助气体纯度越高，切割的质量越好。

在确保辅助气体纯度的前提下，气压的大小也是很重要的因素。如果辅助气体的压力匹配不适当，也会对切割效果造成一定影响。激光切割过程中，如果压力不足，工件切割面处就会产生熔渍，粗糙度增大且切割速度无法提升，从而影响零件的切割效果；如果气压偏大，气流过猛，会造成切割断面粗糙度增大，切割缝变宽，还会导致切断部分熔化，无法形成良好的切割质量。通常，随着所切板材厚度的增加，所需辅助气体的气压也逐渐增大。

辅助气体压力对切割质量的影响

辅助气体及配置

喷嘴选型

喷嘴的大小及种类等对切割质量和穿孔质量有重要的影响，其不仅可防止熔渍杂物往上反弹污染聚焦镜，还具有控制辅助气体扩散面积及大小等作用。切割材料时，喷嘴过大或过小都会影响切割效果。切割时，需根据具体板材材质，板厚来具体选配。下表、图分别为两组配置喷嘴的切割对说明及不同类型喷嘴示意图。

小结：

一般来说，喷嘴孔径大小的选配随切割板材厚度的增加而增大；小孔径喷嘴可提高切割精度，大孔径喷嘴则有利于切割较厚板材；通常，不锈钢、铝合金等切割采用单层喷嘴，碳钢、结构钢等切割采用复合喷嘴。

切割材料性能

材料种类

不同材料对光不同波段的吸收程度不同。当前，多数光纤激光器的输出波长为1.064微米，而该波段的激光非常有利于金属材料的吸收，因而光纤激光在金属切割、焊接等加工领域展现出了优越的能力并得到了广泛的应用。

目前，通常采用光纤激光加工（切割）的金属材料主要有下面几种：

不锈钢：激光对切割不锈钢来说是个非常有效的加工工具。在控制好激光切割工艺参数的情况下，可使切边热影响区很小，且切割速度快、效果好。

碳钢：激光的碳钢切割是利用激光的氧化熔化切割机制，其切缝可控制在满意的宽度范围，对碳钢板的最大可切厚度为20mm。

铝及合金：铝为高反射材料，纯铝因为其高纯度切割难度较大；铝合金由于其成分差异，切割效果差别较大。铝切割属于激光的熔化切割机制，辅助气体主要起从切割区吹走熔融物的作用，通常可获得较好的切面质量。

铜及合金：铜具有高反射率和良好热传导性。黄铜(铜合金)使用较高激光功率加辅助气体，可以对较薄的板材进行切割；紫铜 (纯铜)由于太高的反射率，连续激光很难切割，脉冲激光可以切割较薄的板材。

钛及合金：纯钛能很好耦合聚焦激光束转化的热能，激光切割时辅助气体通常采用氩气和氮气，以防止与氧反应产生过烧。

切割材料性能

材料厚度

激光切割碳钢板的最大厚度可达20mm；厚度6mm以下的不锈钢可以进行激光切割；黄铜、铝合金薄板可以用氮气切割，厚板可以用氧气切割。通常，激光功率越大可切割同种材料的厚度就相对越大；随板材厚度增加，高反材料切割难度逐渐大。下图为一台500w光纤激光器切割不同厚度、不同材质时，对应最优切割效果时的厚度—切割速度的对应关系。