浅析激光切割技术的应用

畅雪苹 王丹丹 王谦

摘 要：随着现代工业发展，很多传统机械加工方式被激光切割所取代。通过激光切割中氧助熔化切割碳钢的工艺流程，文章分析了氧助熔化切割碳钢时影响其切割性能的因素，以及切割时相比较其他传统加工方式的优越性。可以看出，激光切割具有切割速度快，成本低，切割产品质量良好，自动化程度高，切割材料种类多等优势，在各工业领域应用广泛。

关键词：激光技术;氧助熔化切割;切割性能;效率;成本;质量;自动化

中图分类号：TB492  文献标志码：A  文章编号：1671-7988（2020）17-127-03

Application of Laser Cutting Technology

Chang Xueping， Wang Dandan， Wang Qian

（ Shaanxi Wanfang Auto Parts Co.， Ltd.， Shaanxi Xi'an 710299 ）

Abstract： With the development of modern industry， many traditional machining methods have been replaced by laser cutting. Through the process flow of cutting carbon steel with oxygen-assisted melting in laser cutting， the factors affecting the cutting performance of cutting carbon steel with oxygen-assisted melting are analyzed， and the advantages of cutting are compared with other traditional processing methods. It can be seen that laser cutting has the advantages of fast cutting speed， low cost， good quality of cutting products， high degree of automation， a variety of cutting materials， and other advantages， widely used in various industrial fields.

Keywords： Laser technology; Oxygen-assisted fusion cutting; Cutting performance; Efficiency; Cost; Quality; Automation

CLC NO.： TB492  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）17-127-03

前言

激光切割技術现在被各个国家各个行业所应用，尤其工业发达国家，激光切割技术已成熟，中国相对而言起步较晚。本文主要针对激光切割原理和分类，以及切割碳钢时的工艺流程加以简单阐述，突出了激光切割优点，以及取代传统机械加工的必要性。

1 激光切割原理

1.1 机理

激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射材料表面，使照射处的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现割开材料的一种热切割方法。其切割过程示意图如图1所示，切割过程发生在切口的终端处一个垂直的表面，称之为烧蚀前沿。激光和气流在该处进入切口，激光能量一部分被烧蚀前沿吸收，另一部分通过切口或经过烧蚀前沿向切口空间反射。由于激光经过高度集中在很小的区域内，则能产生大量热量迅速融化材料且热量很难散发到材料的其他部分，形成变形很小的切口，从而激光切割实现了切割速度快质量高的加工技术，也是激光技术在现代工业中的主要应用和加工方法。

1.2 分类

光切割大致可分为汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制断裂切割，其中氧助熔化切割应用最广。氧助熔化切割是利用激光将工件加热至其燃点，利用氧气或其他助燃气体使材料燃烧，由于热基质的点燃，除激光能量外的另一热源同时产生，同时作为切割热源。

2 切割碳钢材料工艺分析

2.1 切割性能

碳钢可良好地进行氧助熔化激光切割，切缝窄，板厚最小可至0.1mm上下，其热影响区，特别对低碳钢几乎可不予考虑。碳钢切缝光滑、清洁和平整，垂直度好。低碳钢內磷、硫偏析区的存在会引起切边的溶蚀。所以，含杂质的优质钢的切边质量优于热轧钢。稍高的含碳量可略为改善碳钢的切边质量，但其热影响区有所扩大。影响低碳钢切割性能的因素包括板厚、激光功率、切割速度和工件与光束焦点的间距。当板厚在1.6-6.0mm范围，光束焦点刚位于工件表面以及氧气压力恒定保持在140kPa的条件下，根据激光功率和切割速度变化，观察低碳切割质量，图2为激光切割低碳钢板时切割参数间的关系。可见，随着功率密度的提高，切割速度和可切割板厚度均可增加。如所切割的板厚增加，则应采用较大直径的喷嘴和较低的氧气压力，以防止烧坏切口边缘。

采用CO2激光切割低碳钢板的最大切割厚度可用下面近似估算：激光功率在100-1500W范围内，激光功率的瓦数除以100，即为最大切割厚度的毫米数。图3为低碳钢的上限切速和激光功率在板厚不大于6mm范围内的对数函数关系。按此实验值可推出经验公式：

（1）

其中：

v-上限切割速度（m/min）

t -板厚（mm）

P-激光功率（kW）

利用上述公式可根据激光功率对6mm以内低碳钢粗略地估计精细切割的切割速度。

2.2 切割流程

由于激光切割柔性程度高，与其他传统加工方式相比较，灵活性和适应性好，可加工各种轨迹，上下料次数少，如图4所示油泵支架切割，只需上料一次不需要转序，激光切割可沿序号1、2、3、4、5等五个封闭轨迹依次通过工件相对切割喷嘴旋转运动和直线运动完成切割，而传统机加工作业需经过多次铣削工序和打孔工序，多次转序、多次上下料才能完成。

2.3 切割特点

首先，激光切割成本低。可以自動排样、套料，材料被充分利用，浪费减少，原材料利用率高。切割时工件无需工装夹具装夹，只需设备自带卡盘固定即可，减少工装夹具等费用的投入。激光切割属于无接触加工，无切削力无刀具磨损，不需要更换刀具，无模具损耗。其次，激光切割质量良好。由于切割速度高、激光光斑小、能量密度大，因此切割后工件的质量较好，切口细窄，切割零件的精度较高可达±0.05mm，无毛刺等。切割表面粗糙度只有几十微米表面光滑整洁无需打磨可作为最后一道工序。激光切割后热影响区宽度窄小，对切缝区材料性能影响较小，零部件切后变形小。最后，激光切割自动化程度高以及材料应用广。激光切割机一般配有数控工作台，整个切割过程可全部实现数控，操作时只需将三维数模转化成程序，程序输入设备后便可实现切割，变化是只需变更数控工作台中的程序，因此劳动强度低、操作容易。激光切割材料范围较广，除了金属材料以外，还可加工皮革、木材、纤维及一些复合材料，适应性和灵活性较高，各个领域应用较广泛。

然而，激光切割也存在一些缺陷。首先，光束始终垂直工件表面形成垂直切口，所以对于圆弧面圆管和钢板切割时由于有壁厚的存在导致切口内外参差不齐状态。由于受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切中、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。其次，激光设备体积较大，价格昂贵，占有空间面积大，投入使用时费用高。

3 结束语

鉴于以上激光切割工艺流程分析，此种加工方式优越性显著，在现代工业领域中应用市场广阔。在机械制造行业中已经逐步取代了一部分铣、车、钳、镗等机械加工工艺;在航空航天领域，激光切割技术主要用于特种航空材料的切割;在非金属材料领域激光切割也被广泛应用。

参考文献

[1] 叶建斌，戴春祥.激光切割技术[M].上海：上海科学技术出版社，2018.

[2] 卢小平，张文丽，张英伟.现代制造技术[M].北京：清华大学出版社， 2018.