激光切割技術的原理、應用與發(fā)展

一、引言

激光切割是一種先進的加工技術，自 20 世紀 60 年代激光誕生以來，激光技術在工業(yè)制造領域的應用不斷拓展和深化。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，在金屬加工、汽車制造、航空航天、電子、醫(yī)療等眾多領域得到了廣泛的應用，成為現(xiàn)代工業(yè)生產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)，同時借助與光束同軸的高速氣流將熔化或汽化物質吹走，從而實現(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，其過程可以分為以下幾個階段：

（一）激光束的產生與傳輸

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）或半導體激光器等。這些激光器能夠產生高能量、高方向性和高單色性的激光束。激光束通過反射鏡、透鏡等光學元件進行傳輸和聚焦，使其在被切割材料表面形成一個極小的光斑，光斑處的能量密度極高，可以達到 10⁶ - 10⁹ W/cm²。

（二）材料的加熱與熔化

當激光束照射到材料表面時，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間內升高到熔點以上，開始熔化形成熔池。對于一些高熔點材料，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，熔池中的材料進一步吸收激光能量，溫度繼續(xù)升高，達到沸點后開始汽化形成蒸汽。同時，在與激光束同軸的高速氣流（通常為氧氣、氮氣或空氣）的作用下，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、焦點位置、輔助氣體壓力等工藝參數。

三、激光切割的分類

根據激光切割所使用的激光器類型、切割材料的性質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激光切割是最早應用于工業(yè)生產的激光切割技術。CO₂激光器的輸出波長為 10.6μm，屬于遠紅外波段，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)點是功率大、效率高、成本低；缺點是光束質量較差，聚焦光斑較大，切割精度和切口質量相對較低。

（二）Nd:YAG 激光切割

Nd:YAG 激光器的輸出波長為 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)點是光束質量好，聚焦光斑小，切割精度高；缺點是激光器的轉換效率低，能耗大，設備成本高。

（三）光纖激光切割

光纖激光器是近年來發(fā)展迅速的一種新型激光器，其輸出波長為 1.064μm，與 Nd:YAG 激光器相同。光纖激光切割具有光束質量好、轉換效率高、能耗低、設備體積小、維護成本低等優(yōu)點，是目前應用最廣泛的激光切割技術之一。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域具有顯著的優(yōu)勢。

（四）半導體激光切割

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

四、激光切割的技術特點

（一）高精度

激光切割的精度可以達到微米級別，能夠滿足對加工精度要求較高的零部件的加工需求。通過精確控制激光束的焦點位置、功率、切割速度等參數，可以實現(xiàn)高精度的切割。

（二）高速度

激光切割的速度快，一般可達每分鐘數十米甚至上百米。對于薄板材料的切割，激光切割的效率遠高于傳統(tǒng)的機械切割方法。

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

（四）熱影響區(qū)小

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

（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

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

（一）激光功率

激光功率是影響切割速度和切割質量的重要參數。一般來說，激光功率越大，切割速度越快，但同時也會導致切口寬度增大、熱影響區(qū)增大等問題。因此，在實際切割過程中，需要根據材料的厚度、性質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、材料性質等因素。如果切割速度過快，材料來不及充分熔化或汽化，會導致切口不連續(xù)、掛渣等問題；如果切割速度過慢，會導致熱影響區(qū)增大、材料變形等問題。

（三）焦點位置

焦點位置是指激光束的聚焦點在材料表面的相對位置。焦點位置的選擇對切割質量有很大的影響。當焦點位于材料表面上方時，稱為正離焦；當焦點位于材料表面下方時，稱為負離焦；當焦點位于材料表面時，稱為零離焦。一般來說，對于薄板切割，采用零離焦或負離焦；對于厚板切割，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，同時冷卻切割表面。輔助氣體的壓力和流量對切割質量和效率有很大的影響。一般來說，對于金屬材料的切割，常用氧氣作為輔助氣體，以提高切割速度和切口質量；對于非金屬材料的切割，常用氮氣或空氣作為輔助氣體，以防止材料燃燒和氧化。

六、激光切割的應用領域

（一）金屬加工

激光切割在金屬加工領域的應用非常廣泛，如汽車制造、船舶制造、航空航天、機械制造等。可以用于切割各種金屬板材、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。激光切割可以實現(xiàn)高精度、高速度的切割，滿足電子行業(yè)對零部件加工精度和生產效率的要求。

（三）醫(yī)療領域

激光切割在醫(yī)療領域的應用也越來越廣泛，如醫(yī)療器械的制造、人工關節(jié)的加工、心血管支架的切割等。激光切割可以實現(xiàn)對生物相容性材料的精確加工，為醫(yī)療行業(yè)提供高質量的醫(yī)療器械和植入物。

（四）廣告標識行業(yè)

廣告標識行業(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、標識牌、燈箱等。激光切割可以實現(xiàn)復雜圖形的切割，使廣告標識更加美觀、精致。

七、激光切割技術的發(fā)展趨勢

（一）高功率、高亮度

隨著激光技術的不斷發(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現(xiàn)更厚材料的切割，提高切割效率和質量，拓展激光切割的應用領域。

（二）智能化、自動化

激光切割設備將朝著智能化、自動化方向發(fā)展，通過集成先進的傳感器、控制系統(tǒng)和軟件，實現(xiàn)對切割過程的自動監(jiān)測、診斷和優(yōu)化，提高設備的穩(wěn)定性和可靠性，降低操作人員的勞動強度。

（三）多功能一體化

激光切割設備將與其他加工工藝（如焊接、打孔、打標等）相結合，實現(xiàn)多功能一體化加工，提高生產效率和加工質量，降低生產成本。

（四）綠色環(huán)保

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

八、結論

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

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