人們對(duì)光能聚焦會(huì)產(chǎn)生巨大能量的認(rèn)識(shí)由來已久，從我國(guó)古代的削冰取火，到阿基米德凹鏡燒船驅(qū)敵，無一不是利用這一特點(diǎn)，今天介紹的激光切割亦是如此。      

        激光切割幾乎是當(dāng)前世界上最先進(jìn)的切割工藝，能切割大多數(shù)金屬和非金屬材料，不管你身處汽車行業(yè)、工程機(jī)械、家電行業(yè)等隨處都能見到它的應(yīng)用。它具備精密制造、柔性切割、異形加工、一次成型、速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，能解決許多常規(guī)方法無法解決的難題。本期小編就和大家一起聊聊激光切割那些事。

01

激光切割原理及分類

激光切割原理 

       激光切割是利用激光發(fā)生器所發(fā)出的激光束，經(jīng)透鏡聚焦后在焦點(diǎn)處聚成一極小的高能量光斑，使光斑聚焦在材料合適位置，被材料吸收激光能量，迅速汽化、熔融、燒蝕或者達(dá)到燃點(diǎn)，并配合高壓輔助氣體（有二氧化碳?xì)怏w，氧氣，氮?dú)獾龋┐底呷刍瘡U渣的過程。激光頭由程控的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，切割頭按照預(yù)定路線運(yùn)動(dòng)隨著光束在材料上的移動(dòng)，從而切割出各種形狀的工件。

激光切割的分類

-激光器分類

       光有紅橙黃綠，可以物體吸收，也可以被反射；激光也是光，根據(jù)波長(zhǎng)不同也會(huì)體現(xiàn)不同的特性。激光發(fā)生器的增益介質(zhì)（就是能把電能轉(zhuǎn)化成激光的媒介）決定了激光波長(zhǎng)、輸出功率和應(yīng)用領(lǐng)域。激光器的增益介質(zhì)可以分為氣體、液體和固體。

       1. 氣體中具有代表性的是CO2氣體激光器;

        2. 固體中具有代表性的包括光纖激光器和YAG激光器、紅寶石激光器、半導(dǎo)體激光器等；

       3. 液體激光器是利用某些液體（通常是有機(jī)溶劑，如染料）作為產(chǎn)生激光的工作媒介，發(fā)射出激光。

       不同的切割對(duì)象材料，能夠吸收的激光波長(zhǎng)不同，需要適配合適的激光發(fā)生器。目前汽車行業(yè)應(yīng)用最廣泛的還是光纖激光發(fā)生器。

-激光切割方式分類

       主要分為熔化切割、氧化切割、汽化切割、導(dǎo)向斷裂切割等。下表為常見的切割方法分類，其中熔化切割和氧化切割尤為常見，下面會(huì)著重講一下這兩種切割方法，對(duì)于另外兩種切割方法，有興趣的同學(xué)可以自行研究。

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激光熔化切割

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       激光熔化切割時(shí)，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(qiáng)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。1)  激光光束配上高純惰性切割氣體促使熔化的材料離開割縫，而氣體本身不參于切割。2)  最大切割速度隨著激光功率的增加而增加，隨著板材厚度的增加和材料熔化溫度的增加而幾乎反比例地減小。在激光功率一定的情況下，限制因素就是割縫處的氣壓和材料的熱傳導(dǎo)率。

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激光氧化切割

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       激光氧化切割原理類似于氧乙炔切割。它是用激光作為預(yù)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(yīng)，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(yīng)區(qū)吹出，在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光汽化切割和熔化切割。氧化切割過程存在兩個(gè)熱源：激光束照射能和化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱能。據(jù)估計(jì)，切割碳鋼時(shí)，氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的熱能占切割所需能量的60%。在氧化切割過程中，如果氧化燃燒的速度高于激光束移動(dòng)的速度，割縫將變寬且粗糙，反之，如果移動(dòng)速度慢，則割縫窄而光滑。

       總結(jié)：選擇切割方法，需考慮它們的特點(diǎn)和板件的材料，有時(shí)也要考慮切割的形狀。激光汽化切割相對(duì)熔化需要更多的熱量，適用于極薄的金屬材料及非金屬材料的切割。激光氧化切割則借助氧氣與金屬的反應(yīng)熱使速度更快，切縫質(zhì)量相對(duì)較差，適用于厚板切割。激光熔化切割因?yàn)楸Ｗo(hù)氣的使用，防止熔渣飛濺，割縫平整，切割質(zhì)量好，汽車鈑金行業(yè)應(yīng)用最廣。另外，熔化切割和氣化切割可獲得無氧化切縫，對(duì)于有特殊要求的切割有重要意義。

02

激光切割工藝及設(shè)備

       激光切割的工藝流程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，根據(jù)不同的產(chǎn)品提前設(shè)置激光切割路徑及參數(shù)程序，一般先切孔，再切邊。首件調(diào)試合格后便可直接進(jìn)行切割生產(chǎn)。但是要想切割出質(zhì)量最好的產(chǎn)品也絕非易事，它與切割材料、激光模式、功率、切割速度、輔助氣體壓力等關(guān)系密切。

激光器工作模式

       激光器一般有三種工作模式：連續(xù)模式、調(diào)制模式、脈沖模式。
       在連續(xù)模式下，激光輸出的功率是恒定的，這使得進(jìn)入板料的熱量比較均勻，它適合于一般情況下較快速的切割，一方面可以提高工作效率，另一方面也是避免熱量集中導(dǎo)致熱影響區(qū)組織惡變的需要。調(diào)制模式的激光功率是切割速度的函數(shù)，它可以通過限制在各點(diǎn)處的功率使進(jìn)入板料的熱量保持在相當(dāng)?shù)牡退?，從而防止切縫邊緣的燒傷。由于它的控制比較復(fù)雜，因此效率不是很高，只在短時(shí)段內(nèi)使用。脈沖模式雖可細(xì)分為三種情況，實(shí)質(zhì)上只是強(qiáng)度的差別，往往根據(jù)材料的特性和結(jié)構(gòu)的精度來選擇。

       總結(jié)：激光器經(jīng)常運(yùn)行在連續(xù)輸出模式，為了得到最佳的切割質(zhì)量，對(duì)于給定的材料，有必要調(diào)整進(jìn)給速率，例如拐彎時(shí)的加速，減速和延時(shí)。因此，在連續(xù)輸出模式下，降低功率是不夠的，必須通過變化脈沖來調(diào)整激光功率。
保護(hù)氣體激光切割設(shè)備所用氣體包括激光器工作氣體，保護(hù)氣體，輔助氣體。

       切割不銹鋼和一些高強(qiáng)度鋼一般用氮?dú)?，作用是用來杜絕氧化反應(yīng)和吹掉熔融物，對(duì)氮?dú)獾募兌纫筝^高，8mm以上的不銹鋼，要求一般達(dá)到99.999%的純度。氧氣適合于厚板切割、高速切割和極薄板切割。空氣適合于鋁板、非金屬及鍍鋅鋼板的切割，在一定程度上它可以減少氧化膜且節(jié)省成本。從成本來說,切割碳鋼用氧氣相對(duì)便宜,切割碳鋼的氮?dú)庥昧亢艽?。越厚的不銹鋼的量氮?dú)饬亢图兌榷家蠛芨叱杀竞艽?。目前高純氮?dú)獾那懈畛杀炯s35-40CNY/h，高于利用氧氣的切割成本，約10-15CNY/h。

       總結(jié)：激光切割的速度最大能達(dá)到40m/min，實(shí)際加工往往只有最大速度的1/3—1/2，因?yàn)樗俣仍礁?，伺服機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)精度就越低，直接影響切割質(zhì)量。切割圓孔時(shí)，切速越高，孔徑越小，加工的圓度就越差。只有在長(zhǎng)直線切割時(shí)才可以使用最大切速來提高效率。在實(shí)際切割過程中，需要根據(jù)產(chǎn)品的材料，厚度以及相關(guān)的技術(shù)要求，通過調(diào)整激光功率、氣壓等相關(guān)參數(shù)達(dá)到適合產(chǎn)品的最優(yōu)切割速度。

        激光切割設(shè)備激光切割的設(shè)備大體主要由以下幾個(gè)部分組成：床身、工作臺(tái)、切割頭、控制系統(tǒng)、激光控制柜、激光器、冷卻設(shè)備、除塵裝置、供氣系統(tǒng)等。 

 激光切割參數(shù)設(shè)置

       根據(jù)不同的產(chǎn)品要求，需要不斷調(diào)試不同工況下的參數(shù)才能達(dá)到最佳工藝參數(shù)。激光切割名義上可以達(dá)到的定位精度為0.08mm，重復(fù)定位精度為：0.03mm，實(shí)際上能做到的最小公差為：孔徑±0.05mm，孔位±0.2mm。

       輸出功率選擇不同材料及不同厚度需要熔化的能量不同，所需的激光器輸出功率也不同。生產(chǎn)時(shí)需要平衡生產(chǎn)速度及質(zhì)量，選擇設(shè)置合適的輸出功率及切割速度，保證切割區(qū)域能有恰當(dāng)?shù)哪芰?，材料能被有效熔融并被即使吹走?br />（激光器將電能轉(zhuǎn)化成激光能量的效率大約在30%~35%左右，輸出功率1500W，輸入功率4285W~5000W左右，真正的輸入耗電量遠(yuǎn)大于標(biāo)稱輸出功率哦。另外，能量守恒原則，其它能量則轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)，所以激光器需要配備冷水機(jī)來降溫。）

       下圖是是Rofin DC030激光器針對(duì)碳鋼和不銹鋼的參考參數(shù)：

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激光切割成本實(shí)例

- 激光切割生產(chǎn)單元總價(jià)：500萬RMB

- 輔助氣體：氮?dú)?，流?5L/min- 零件材料：DC05- 零件厚度：4mm- 零件總周長(zhǎng)：2000mm- Φ8孔位：6個(gè)，平均間距150mm- 跳轉(zhuǎn)啟停時(shí)間：0.1s，跳轉(zhuǎn)速度：100m/min- 固定人員：1人/班- 人工費(fèi)率：35CNY/h