激光切割技術(shù)的原理、應(yīng)用與發(fā)展

一、引言

激光切割是一種先進(jìn)的加工技術(shù)，自 20 世紀(jì) 60 年代激光誕生以來(lái)，激光技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展和深化。激光切割以其高精度、高速度、高靈活性和低加工成本等優(yōu)勢(shì)，在金屬加工、汽車制造、航空航天、電子、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的重要工藝。

二、激光切割的原理

激光切割是利用高能量密度的激光束照射到被切割材料表面，使材料迅速加熱至熔化、汽化或燃燒狀態(tài)，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流將熔化或汽化物質(zhì)吹走，從而實(shí)現(xiàn)材料的切割。激光切割的基本原理是基于激光與材料之間的熱作用，其過(guò)程可以分為以下幾個(gè)階段：

（一）激光束的產(chǎn)生與傳輸

激光切割系統(tǒng)中的激光器通常采用二氧化碳（CO₂）激光器、固體激光器（如 Nd:YAG 激光器、光纖激光器）或半導(dǎo)體激光器等。這些激光器能夠產(chǎn)生高能量、高方向性和高單色性的激光束。激光束通過(guò)反射鏡、透鏡等光學(xué)元件進(jìn)行傳輸和聚焦，使其在被切割材料表面形成一個(gè)極小的光斑，光斑處的能量密度極高，可以達(dá)到 10⁶ - 10⁹ W/cm²。

（二）材料的加熱與熔化

當(dāng)激光束照射到材料表面時(shí)，材料吸收激光能量并迅速升溫。在激光能量密度足夠高的情況下，材料表面的溫度在極短的時(shí)間內(nèi)升高到熔點(diǎn)以上，開(kāi)始熔化形成熔池。對(duì)于一些高熔點(diǎn)材料，如金屬，激光能量還可以使材料表面直接汽化形成蒸汽。

（三）材料的汽化與去除

隨著激光束的持續(xù)照射，熔池中的材料進(jìn)一步吸收激光能量，溫度繼續(xù)升高，達(dá)到沸點(diǎn)后開(kāi)始汽化形成蒸汽。同時(shí)，在與激光束同軸的高速氣流（通常為氧氣、氮?dú)饣蚩諝猓┑淖饔孟�，熔化或汽化的材料被吹離切割區(qū)域，形成切縫。切縫的寬度和深度取決于激光功率、切割速度、焦點(diǎn)位置、輔助氣體壓力等工藝參數(shù)。

三、激光切割的分類

根據(jù)激光切割所使用的激光器類型、切割材料的性質(zhì)以及切割工藝的不同，可以將激光切割分為以下幾種類型：

（一）CO₂激光切割

CO₂激光切割是最早應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的激光切割技術(shù)。CO₂激光器的輸出波長(zhǎng)為 10.6μm，屬于遠(yuǎn)紅外波段，適用于切割各種金屬和非金屬材料，如碳鋼、不銹鋼、鋁合金、塑料、木材、皮革等。CO₂激光切割的優(yōu)點(diǎn)是功率大、效率高、成本低；缺點(diǎn)是光束質(zhì)量較差，聚焦光斑較大，切割精度和切口質(zhì)量相對(duì)較低。

（二）Nd:YAG 激光切割

Nd:YAG 激光器的輸出波長(zhǎng)為 1.064μm，屬于近紅外波段。Nd:YAG 激光切割適用于切割各種金屬材料，特別是對(duì)不銹鋼、鈦合金等難加工材料具有較好的切割效果。Nd:YAG 激光切割的優(yōu)點(diǎn)是光束質(zhì)量好，聚焦光斑小，切割精度高；缺點(diǎn)是激光器的轉(zhuǎn)換效率低，能耗大，設(shè)備成本高。

（三）光纖激光切割

光纖激光器是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種新型激光器，其輸出波長(zhǎng)為 1.064μm，與 Nd:YAG 激光器相同。光纖激光切割具有光束質(zhì)量好、轉(zhuǎn)換效率高、能耗低、設(shè)備體積小、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的激光切割技術(shù)之一。光纖激光切割適用于切割各種金屬材料，尤其是在薄板切割領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

（四）半導(dǎo)體激光切割

半導(dǎo)體激光器的輸出波長(zhǎng)范圍較廣，從可見(jiàn)光到近紅外波段均有分布。半導(dǎo)體激光切割具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但由于其輸出功率相對(duì)較低，目前主要應(yīng)用于一些對(duì)切割功率要求不高的領(lǐng)域，如電子元器件的微加工、醫(yī)療器械的切割等。

四、激光切割的技術(shù)特點(diǎn)

（一）高精度

激光切割的精度可以達(dá)到微米級(jí)別，能夠滿足對(duì)加工精度要求較高的零部件的加工需求。通過(guò)精確控制激光束的焦點(diǎn)位置、功率、切割速度等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高精度的切割。

（二）高速度

激光切割的速度快，一般可達(dá)每分鐘數(shù)十米甚至上百米。對(duì)于薄板材料的切割，激光切割的效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的機(jī)械切割方法。

激光切割可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種形狀、尺寸和厚度的材料進(jìn)行切割，不受材料形狀和尺寸的限制。同時(shí)，激光切割還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜圖形的切割，如曲線、異形孔等，具有很高的靈活性。

（四）熱影響區(qū)小

激光切割過(guò)程中，熱量集中在很小的區(qū)域內(nèi)，對(duì)材料的熱影響區(qū)小，切割后的材料變形小，切口質(zhì)量好。

（五）可切割材料種類多

激光切割可以切割金屬、非金屬、復(fù)合材料等多種材料，具有廣泛的適用性。

五、激光切割的工藝參數(shù)

激光切割的工藝參數(shù)主要包括激光功率、切割速度、焦點(diǎn)位置、輔助氣體壓力等，這些參數(shù)的合理選擇直接影響到切割質(zhì)量和效率。

（一）激光功率

激光功率是影響切割速度和切割質(zhì)量的重要參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，激光功率越大，切割速度越快，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致切口寬度增大、熱影響區(qū)增大等問(wèn)題。因此，在實(shí)際切割過(guò)程中，需要根據(jù)材料的厚度、性質(zhì)和切割要求等因素合理選擇激光功率。

（二）切割速度

切割速度是指激光束在材料表面移動(dòng)的速度。切割速度的選擇需要綜合考慮激光功率、材料厚度、材料性質(zhì)等因素。如果切割速度過(guò)快，材料來(lái)不及充分熔化或汽化，會(huì)導(dǎo)致切口不連續(xù)、掛渣等問(wèn)題；如果切割速度過(guò)慢，會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)增大、材料變形等問(wèn)題。

（三）焦點(diǎn)位置

焦點(diǎn)位置是指激光束的聚焦點(diǎn)在材料表面的相對(duì)位置。焦點(diǎn)位置的選擇對(duì)切割質(zhì)量有很大的影響。當(dāng)焦點(diǎn)位于材料表面上方時(shí)，稱為正離焦；當(dāng)焦點(diǎn)位于材料表面下方時(shí)，稱為負(fù)離焦；當(dāng)焦點(diǎn)位于材料表面時(shí)，稱為零離焦。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于薄板切割，采用零離焦或負(fù)離焦；對(duì)于厚板切割，采用正離焦。

（四）輔助氣體壓力

輔助氣體的作用是將熔化或汽化的材料吹離切割區(qū)域，同時(shí)冷卻切割表面。輔助氣體的壓力和流量對(duì)切割質(zhì)量和效率有很大的影響。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于金屬材料的切割，常用氧氣作為輔助氣體，以提高切割速度和切口質(zhì)量；對(duì)于非金屬材料的切割，常用氮?dú)饣蚩諝庾鳛檩o助氣體，以防止材料燃燒和氧化。

六、激光切割的應(yīng)用領(lǐng)域

（一）金屬加工

激光切割在金屬加工領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，如汽車制造、船舶制造、航空航天、機(jī)械制造等�？梢杂糜谇懈罡鞣N金屬板材、管材、型材等，如碳鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金等。

（二）電子行業(yè)

在電子行業(yè)中，激光切割可用于印刷電路板（PCB）的切割、電子元器件的微加工等。激光切割可以實(shí)現(xiàn)高精度、高速度的切割，滿足電子行業(yè)對(duì)零部件加工精度和生產(chǎn)效率的要求。

（三）醫(yī)療領(lǐng)域

激光切割在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，如醫(yī)療器械的制造、人工關(guān)節(jié)的加工、心血管支架的切割等。激光切割可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物相容性材料的精確加工，為醫(yī)療行業(yè)提供高質(zhì)量的醫(yī)療器械和植入物。

（四）廣告標(biāo)識(shí)行業(yè)

廣告標(biāo)識(shí)行業(yè)中，激光切割可用于切割各種金屬和非金屬板材，制作招牌、標(biāo)識(shí)牌、燈箱等。激光切割可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖形的切割，使廣告標(biāo)識(shí)更加美觀、精致。

七、激光切割技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

（一）高功率、高亮度

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光器的功率和亮度不斷提高。高功率、高亮度的激光器可以實(shí)現(xiàn)更厚材料的切割，提高切割效率和質(zhì)量，拓展激光切割的應(yīng)用領(lǐng)域。

（二）智能化、自動(dòng)化

激光切割設(shè)備將朝著智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展，通過(guò)集成先進(jìn)的傳感器、控制系統(tǒng)和軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)切割過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、診斷和優(yōu)化，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（三）多功能一體化

激光切割設(shè)備將與其他加工工藝（如焊接、打孔、打標(biāo)等）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多功能一體化加工，提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

（四）綠色環(huán)保

隨著環(huán)保意識(shí)的不斷提高，激光切割技術(shù)將更加注重綠色環(huán)保。通過(guò)優(yōu)化切割工藝、減少能源消耗、降低廢氣排放等措施，實(shí)現(xiàn)激光切割的可持續(xù)發(fā)展。

八、結(jié)論

激光切割作為一種先進(jìn)的加工技術(shù)，以其高精度、高速度、高靈活性和低加工成本等優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，激光切割技術(shù)將不斷完善和提高，在更多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，為推動(dòng)工業(yè)制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。

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