激 光 切 割
1 激光切割技術(shù)概述
激光切割以其切割范圍廣、切割速度高、切縫窄、切割質(zhì)量好，熱影響區(qū)小，加工柔性大等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代工業(yè)中得到了極為廣泛的應(yīng)用，激光切割技術(shù)也成為激光加工技術(shù)中最為成熟的技術(shù)之一。
1.1 激光切割技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀
從工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域來看，金屬和非金屬的激光切割是激光加工最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，最具代表性的應(yīng)用是在汽車工業(yè)中，從轎車底板的激光拼焊，頂棚的激光焊接，車身覆蓋件三維輪廓的激光切割到汽車轉(zhuǎn)向器殼體的激光淬火等，都有大量的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，約有60％的汽車零部件可以通過激光加工來提高質(zhì)量。激光切割過程中無“刀具”的磨損，無“切削力”作用于工件，激光切割板材其切割率可以提高8～20倍，節(jié)省材料15％～30％，可以大幅度降低生產(chǎn)成本，且加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)量可靠。美國、歐洲和日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家的激光加工已經(jīng)形成了一個新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，工業(yè)激光器和激光加工機(jī)的銷售逐年遞增，應(yīng)用領(lǐng)域規(guī)模不斷擴(kuò)大。由于激光切割發(fā)展迅猛，在全球已生產(chǎn)、銷售用于激光加工領(lǐng)域的工業(yè)激光器中有超過40％的激光器用作切割用途的。
日本是最早將激光切割加工系統(tǒng)引進(jìn)到汽車生產(chǎn)中的國家，主要應(yīng)用于大型覆蓋件的下料切邊，擋風(fēng)板的激光切割等。美國福特和通用汽車公司以及日本的豐田、日產(chǎn)等汽車公司，在汽車生產(chǎn)線上普遍采用激光切割技術(shù)。它不必采用各種規(guī)格的金屬模具，除了快速方便地切割各種不同形狀的坯料外，還用來大量切割加工因規(guī)格不同，需要更改的零件安裝孔位置，如汽車標(biāo)志燈、車架、車身兩側(cè)裝飾線等。通用汽車公司生產(chǎn)的卡車，僅車門就有直徑為2.8～3.9mm的20種孔。公司采用Rofin-Sinar的500W激光器通過光纖連接到裝在機(jī)械手上的焊頭，用以切割這些孔，1min就完成一扇門開孔的加工。孔邊緣光滑，背面平整。2.8mm孔的公司差為+0.08+0.03mm；12mm孔的公差為+0.03-0.25mm。該公司生產(chǎn)的卡車和客車由89種2孔徑和孔位配置不同的地盤，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，現(xiàn)在只需要沖壓5種不同的底盤，由激光切割出配置不同的孔，簡化了工藝，提高效率，降低了成本。相對而言，日本在激光加工工藝方面的研究更是走在世界的前列，已經(jīng)在車門制造過程中將鋼板切割，焊接和壓模成形一體化，并且取得了很大的進(jìn)展。
三維激光切割技術(shù)，由于其本身具有加工靈活和保證質(zhì)量的特性，在20世紀(jì)80年代就開始在汽車車身制造中應(yīng)用。切割時只需用平直的支撐塊來支撐工件，因此，夾具的制作不僅成本低而且快速。由于與CVD/CAM技術(shù)相結(jié)合，切割過程易于控制，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)和并行加工，從而實(shí)現(xiàn)高效率的切割生產(chǎn)。相對于CO2激光器，YAG的激光可通過光導(dǎo)纖維輸送，比較靈活方便，適用于機(jī)器人手執(zhí)激光“噴嘴”配程序控制進(jìn)行精確操作，因此在三維切割時大多采用。三維激光切割在車身裝配后的加工也十分有用，例如開行李架固定孔，頂蓋滑軌孔、天線安裝孔、修改車輪擋泥板形狀等。在新車試制中用于切割輪廓和修正，既縮短了試制周期又省了模具，充分體現(xiàn)出采用激光切割加工的優(yōu)點(diǎn)。
在激光切割工藝研究方面，主要集中于對激光模式、激光輸出功率、焦點(diǎn)位置以及噴嘴形狀等問題的研究。早在20世紀(jì)70～80年代，美國、德國以及日本等國家已經(jīng)在大量的激光切割工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)激光切割工藝，建立工藝數(shù)據(jù)庫，并著手研究高性能的激光切割系統(tǒng)，90年代初期國外就已經(jīng)推出了一些高性能的激光切割系統(tǒng)就具有加工參數(shù)自動設(shè)定的功能。
為了更加深入地發(fā)展激光加工技術(shù)，各國制定了自己的發(fā)展規(guī)劃，如美國的“戰(zhàn)略防御倡議”；英國的“阿維爾計劃”；日本的“激光研究五年計劃”；西歐的“尤里卡計劃”；德國的“激光技術(shù)及其研究重點(diǎn)”等。這些國家為了執(zhí)行發(fā)展計劃建立了專門的研究機(jī)構(gòu)和激光加工說應(yīng)用中心。
同國外的發(fā)展情況相比，我國的激光加工技術(shù)研究起步較晚，基礎(chǔ)工業(yè)相對落后，工業(yè)生產(chǎn)自動化程序不是很高，市場競爭意識薄弱。但是由于國家高度重視發(fā)展高科技產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過長期不懈的努力已經(jīng)取得了可喜的成果。尤其在激光切割方面，成果更加顯著。主要分為三個階段。
第一階段：早在20世紀(jì)70年代中期，我國就開始激光切割試驗(yàn)，到70年代末，中科院長春光機(jī)所就為成都飛機(jī)制造廠安裝了功率（500W左右）激光器，用于切割飛機(jī)零件。1976年，由中科院長春光機(jī)所、長春第一汽車制造廠轎車分廠等單位合作研制的CO2激光機(jī)成功的應(yīng)用于“紅旗”牌轎車的覆蓋件的切割上，這是我國激光切割發(fā)展的第一階段。
第二階段：從20世紀(jì)80年代中期開始，在上海、株洲和天津等地先后全套引進(jìn)高功率（1500W左右）激光切割系統(tǒng)，較廣泛地把激光切割新工藝引了我國的工業(yè)制造領(lǐng)域。
第三階段：20世紀(jì)90年代以后是激光切割發(fā)展的第三階段，開始發(fā)展中、高功率的具有適合切割光束模式的快流CO2激光系統(tǒng)（包括激光器、切割機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)）為工業(yè)界服務(wù)。
激光加工技術(shù)除被列入國家重點(diǎn)科技攻關(guān)外，它在國家自然科學(xué)基金，國家“863”計劃，國家“火炬”計劃等也有相當(dāng)?shù)捻?xiàng)目被列入。為了推動激光加工產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，我國還建立了三個國家級的激光加工中心。它們分別是：
① 國家科委組建的“國家固體激光技術(shù)研究中心”，依托于電子工業(yè)部第十一研究所；
② 由國家計委組建的“激光加工國家工程研究中心”，依托于華中科技大學(xué)激光技術(shù)與工程研究院；
③ 由國家經(jīng)貿(mào)委組建的“國家產(chǎn)學(xué)研激光加工技術(shù)中心”，依托于北京市機(jī)電研究院和北京工業(yè)大學(xué)。
在激光切割方面，目前基本上集中在平板切割，主要是用于覆蓋件的下料和樣板切割，而在激光三維切割方面的應(yīng)
用研究才開始起步。國家自然科學(xué)基金委在1997年把“大功率CO2及YAG激光三維焊接和切割理論與技術(shù)”作為重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行資助，國家產(chǎn)學(xué)研激光技術(shù)中心的有關(guān)學(xué)者對此進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為在我國汽車車身制造業(yè)中應(yīng)用三維激光立體加工技術(shù)做出了很大貢獻(xiàn)。該中心擁有從德國Trumpf公司引進(jìn)的具有20世紀(jì)90年代國際水平的6000W Turbo型CO2激光器及與之相配套的5軸聯(lián)動激光加工機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對零件的5面體切割和焊接；從Hass公司引進(jìn)的500W YAG激光器和6軸機(jī)械手和光纖傳輸系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)工件空間任意位置的切割和焊接。該中心為一汽轎車公司、寶山鋼鐵公司等國有大型企業(yè)的技術(shù)改造，開展了重大工程項(xiàng)目攻關(guān)。其中，開發(fā)“紅旗”加長型轎車覆蓋件的三維激光制造工藝技術(shù)，在我國轎車生產(chǎn)中是首次采用；在汽車用薄厚鋼板激光大拼板拼接工藝試驗(yàn)研究中，首次采用了激光切割替代精裁的工藝技術(shù)，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。在企業(yè)方面，柳州微型汽車廠也已經(jīng)有了CO25軸激光加工機(jī)；上海大眾汽車公司新的桑塔納生產(chǎn)線也在引進(jìn)高功率YAG三維加工系統(tǒng)；濟(jì)南鑄鍛研究所為一汽開發(fā)的6軸CO2激光加工機(jī)也已進(jìn)入運(yùn)行階段，用來轎車車身的切割成形。
1.2 激光切割的特點(diǎn)
激光切割的工業(yè)應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代初，最初用在硬木板上切非穿透槽、嵌刀片、制造沖剪紙箱板的模具。隨著激光器件和加工技術(shù)的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大到各種金屬和非金屬板材的切割，應(yīng)用規(guī)模也迅速擴(kuò)展。激光切割所占材料加工的比例超過了50％。從材料方面看，激光能切割的有塑料、木材、橡膠、皮革、纖維以及復(fù)合材料等。
激光切割頭的示意圖如圖1所示。聚焦透鏡將激光聚焦至一個很小的光斑，光斑的直徑一般為0.1～0.5mm。焦斑位于待加工表面附近，用以熔化或汽化被切材料。與些同時，與光束同軸的氣流由切割頭噴出，將熔化或汽化了的材料由切口的底部吹出。隨著激光切割頭與被切材料的相對運(yùn)動，生成切口。如果吹出的氣體和被切材料產(chǎn)生放熱反應(yīng)，則此反應(yīng)將提供切割所需的附加能源。氣流還有冷卻已切割表面、減少熱影響區(qū)和保證聚焦透鏡不受污染的作用。
對不同的材料，切割的方法很多。大部分切割法在切割時都伴隨有熱過程，被稱為熱切割法。熱切割法主要有三種：氧氣切割、等離子弧切割和激光切割法。將三種方法比較，就可看出激光切割技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
① 激光切割的功率密度較高，達(dá)106～109W/cm2。切縫寬度小，最小可至0.10mm，一般也在0.13～0.38mm范圍內(nèi)，材料的利用率高。并能精確切割形狀復(fù)雜、有尖角的零件，尺寸精度可達(dá)±0.05mm。
② 因?yàn)榧す庾饔脮r間短，所以工件變形少，周邊熱影響區(qū)很小，約為0.08～0.1mm；是氧氣切割的1/10，等離子弧切割的1/6。
③ 激光切割時只需定位而不需夾緊、劃線、去油等準(zhǔn)備工序，因而工件無機(jī)械應(yīng)力及表面損傷。
④ 適用范圍廣，能切割易碎的脆性材料，以及極軟、極硬的材料；切割淬火鋼時，可使其硬度保持不變。
⑤ 切口平行度好，表面粗糙度小，切口有棱角，對做沖模有利。切邊潔凈，可直接用于焊接（不銹鋼除外）。
⑥ 加工靈活性好，既能切割平面工件，又能切割立體工件?？蓮娜魏我稽c(diǎn)開始（先穿孔），切口可向任何方向行進(jìn)。⑦ 切割速度快，為機(jī)械方法的20倍。根據(jù)材料厚度和切割速度的關(guān)系，在厚20mm以下的鋼板切割中，激光的切
割能力最高。特別適用于中、薄板的高精度、高速度切割。
⑧ 激光切割的深寬比高，對于非金屬可達(dá)100:1以上，對于金屬也可達(dá)20:1左右，還可切割不穿透的盲槽。
⑨ 無工具磨損，易于數(shù)控或計算機(jī)控制，并可多工件操作。
⑩ 噪聲和振動小，對環(huán)境基本無污染。
2 激光切割機(jī)理
激光切割是激光加工技術(shù)在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的一個方面，因此其加工過程既符合激光與材料的作用原理，又具有自己的特點(diǎn)。
2.1 激光切割時切口的形成
激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射處的材料迅即熔化、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時借與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)割開工件的一種熱切割方法。其切割過程示意圖如圖2所示，切割過程發(fā)生的切口的終端處一個垂直的表面，稱之為燒蝕前沿。激光和氣流在該處進(jìn)入切口，激光能量一部分為燒蝕前沿所吸收，一部分通過切口或經(jīng)燒蝕前沿向切口空間反射。
用O2作輔助氣體激光切割碳鋼是地，借助高速攝影觀察切割過程表明，當(dāng)切口前沿的上表面受激光照射達(dá)到鐵－氧反應(yīng)溫度時，氧化反應(yīng)即從其中的一點(diǎn)開始，并迅速向周圍擴(kuò)展，形成一個類似球瓣狀的反應(yīng)區(qū)，如圖3中標(biāo)有碎點(diǎn)的部分，在球瓣的下端處存在一縮頸部。此縮頸部下，氧化反應(yīng)以速度υn繼續(xù)往下進(jìn)行。隨著熔渣為輔助氣體排除和激光束向前行進(jìn)，就擴(kuò)展成圖3(a)右圖所示形狀。上述過程不斷重復(fù)，就形成切口并將工件割開。圖3(b)、（c）為不同切割速度時切口前沿反應(yīng)區(qū)的一些同反應(yīng)有關(guān)參數(shù)的測定值。在正常切割情況下，切口寬度取決于聚焦以后的光斑直徑。而工件上表面處的切口寬度相當(dāng)于功率密度約為15kW/cm2以上的光束分布區(qū)的尺寸?？梢?，用聚焦后能量高度集中的激光束可以獲得較窄的切口寬度。
研究表明，用O2作輔助氣體，用CO2激光對碳鋼進(jìn)行切割時，切口前沿的溫度TF和激光束至切口前沿的距離rF同切割速度有密切關(guān)系。圖4為不同切割速度時切口前沿在離上表面0.4mm處測得的溫度TF值以及切口前沿與光束軸線之間的距離rF。由圖可知，切割速度低于2m/min時，切口前沿的溫度是1650℃。當(dāng)切割速度大于2m/min時，切口前沿的溫度則隨著切割速度的加快而提高，至切割速度為10m/min時達(dá)到2150℃，同時值rF減小。
2.2 激光切割主要方式
從切割過程不同的物理形式來看，激光切割大致可分為汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制斷裂切割四類。
2.2.1 汽化切割
當(dāng)高功率密度的激光照射到工件表面時，材料在極短的時間內(nèi)被加熱到汽化點(diǎn)，部分材料化作蒸氣逸去，形成割縫，其功率密度一般為108W/cn2量級，是熔化切割機(jī)制所需能量的10倍，這是大部分有機(jī)材料和陶瓷所采用的切割方式。汽化切割機(jī)理可具體描述如下。
① 激光束照射工件表面，光束能量部分被反射，剩余部分被材料吸收，反射率隨著表面繼續(xù)加熱而下降。
② 工件表溫升高到材料沸點(diǎn)溫度的速度非?？?，足以避免熱傳導(dǎo)造成的熔化。
③ 蒸汽從工件表面以近聲速飛快選出，其加速力在材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波，當(dāng)功率密度大于109W/cm2時，應(yīng)力波在材料內(nèi)的反射會導(dǎo)致脆性材料碎裂，同時它也升高蒸發(fā)前沿壓力，提高汽化溫度。
④ 蒸氣隨身帶走熔化質(zhì)點(diǎn)和沖刷碎屑，形成孔洞，汽化過程中，60％的材料是以熔滴形式被驅(qū)除的。
⑤ 當(dāng)功率密度大于108W/cm2時，形成相似于點(diǎn)載荷那樣的應(yīng)力場，應(yīng)力波在材料內(nèi)部反射。
⑥ 如果發(fā)生過熱，來自孔洞的熱蒸氣由于高的電子密度，會反射和吸收入射激光束。這里存在一個最佳功率密度，對不銹鋼，其值為5×108W/cm2，超過此值，蒸氣吸收阻擋了所增加的功率部分，吸收波開始從工件表面朝光束方向移開。
⑦ 對某些光束局部可透的材料，熱量在內(nèi)部吸收，蒸發(fā)前沿發(fā)生內(nèi)沸騰，以表面下爆炸形式驅(qū)除材料。
2.2.2 熔化切割
利用一定功率密度的激光加熱工件使之熔化，同時依靠與光束同軸的非氧化性輔助氣流把孔洞周圍的熔融材料吹除、帶走，形成割縫。其所需功率密度約為汽化切割的1/10。熔化切割的機(jī)理可概括如下。
① 激光束照射到工件表面，除反射損失外，剩下能量被吸收，加熱材料并蒸發(fā)成小孔；
② 一旦小孔形成，它作為黑體將吸收所有光束能量，小孔被熔化金屬壁所包圍，依靠蒸氣流高速流動，使熔壁保
持相對穩(wěn)定；
③ 熔化等溫線貫穿工件，依靠輔助氣流噴射壓力將熔化材料吹走；
③ 隨著工件移動，小孔橫移并留下一條切縫，激光束繼續(xù)沿著這條縫的前沿照射，熔化材料持續(xù)或脈動地從縫內(nèi)
被吹掉。
對薄板材料，切割速度過慢會使大部分激光束直接通過切口白白損失能量，速度提高使更多光束照射材料，增加與材料的耦合功率，獲得保證切割質(zhì)量的較寬參數(shù)調(diào)節(jié)區(qū)，對厚板材料，由于激光蒸發(fā)作用或熔化產(chǎn)物移去速度不夠快，光束在割縫內(nèi)材料切面上多次反射，只要熔化產(chǎn)物能在它被冷氣流凝固前除去，切割過程將繼續(xù)進(jìn)行。
所有激光切割口邊緣都呈條紋狀，其原因是：①切割過程開始于導(dǎo)致氧燃燒的某功率值，而在較低的功率水平停止；②切割斷面斜度是如此的陡，以致在它上面的功率密度不能持續(xù)地維持熔化過程，而在切割面形成臺階，使切割面在切割過程中間歇地前進(jìn)；③切割產(chǎn)生的吸收或反射等離子或煙霧可引起間歇效應(yīng)。
2.2.3 氧助熔化切割
利用激光將工件加熱至其燃點(diǎn)，利用氧或其他活動性氣體使材料燃燒，由于熱基質(zhì)的點(diǎn)燃，除激光量外的另一熱源同時產(chǎn)生，同時作為切割熱源。氧助熔化切割其機(jī)制較為復(fù)雜，簡要分析如下。
① 在激光照射下，材料表面加熱到達(dá)燃點(diǎn)溫度。隨之與氧氣接觸，發(fā)生激烈燃燒反應(yīng)，放出大量熱量。在此熱量作用下，材料內(nèi)部形成充滿蒸氣的小孔。小孔周圍被熔融金屬壁所包圍。
② 蒸氣流運(yùn)動使周圍熔融金屬壁向前移動，并發(fā)生熱量和物質(zhì)轉(zhuǎn)移。
③ 氧和金屬的燃燒速度受控于燃燒物質(zhì)轉(zhuǎn)移成熔渣，和氧氣擴(kuò)散通過熔渣到達(dá)點(diǎn)火前沿的速度。氧氣流速越高，燃燒化學(xué)反應(yīng)和材料去除速度也越快。同時，也導(dǎo)致切縫出口處反應(yīng)產(chǎn)物──氧化物的快速冷卻。
④ 最后達(dá)到燃點(diǎn)溫度的區(qū)域，氧氣流作為冷卻劑，縮小熱影響區(qū)。
⑤ 顯然，氧助切割存在著兩個熱源：激光照射能和氧－金屬放熱反應(yīng)能。粗略估計，切割鋼時，氧放熱反應(yīng)提供的能量要占全部切割能量的60％左右。很明顯，與惰性氣體比較，使用氧作輔助氣體可獲得較高的切割速度。
⑥ 在擁有兩個能源的氧助切割過程中，存在著兩個切割區(qū)域：一個區(qū)域是氧燃燒速度高于光束行進(jìn)速度，這時割縫寬且粗糙；另一個區(qū)域是激光束行進(jìn)速度比氧燃燒速度快，所得切割縫狹窄而光滑。這兩個區(qū)域間的轉(zhuǎn)折是個突變。
2.2.4 控制斷裂切割
通過激光束加熱，易受熱破壞的脆性材料高速、可控地切斷，稱之為控制斷裂切割。其切割機(jī)理可概括為：激光束加熱脆性材料小塊區(qū)域，引起熱梯度和隨之而來的嚴(yán)重機(jī)械變形，使材料形成裂縫?？刂茢嗔亚懈钏俣瓤?，只需很小激光功率；功率太高會造成工件表面熔化，并破壞切縫邊緣?？刂茢嗔亚懈钪饕煽貐?shù)是激光功率和光斑尺寸。
2.3 激光切割過程中能量的分析
激光切割的一個重要因素是入射激光在工件切口燒蝕前沿的吸收，它是激光進(jìn)行有效切割的基礎(chǔ)。激光的吸收取決于激光的偏振性、模式、燒蝕前沿的形狀和傾角、材料性質(zhì)以及氧化程度等一系列因素。燒蝕前沿由吸收的激光和切割過程的放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量加熱而熔化或汽化，并被氣流吹除。部分熱量則通過熱傳導(dǎo)傳入基體材料，通過輻射以及對流換熱而損耗。
在激光切割的加熱階段，鋼板在激光照射下，其表面被加熱到達(dá)燃點(diǎn)溫度（取為970℃）。在此階段，輸入能量只有激光束的照射能量，其能量被鋼板吸收使其溫度升高。
在燃燒反應(yīng)開始后，激光與Fe-O反應(yīng)的燃燒熱作為輸入能量，共同作用于工件上，會發(fā)生熱量的累積效果。假設(shè)沒有蒸發(fā)潛熱，則熱平衡方程為：
Plas＋Qoxid＝Ht＋Qcond （1）
式中 Plas──工件吸收的激光功率；
Qoxid──單位時間切縫金屬燃燒放出的熱量；
Ht──單位時間工件的焓變；
Qcond──單位時間熱傳導(dǎo)熱量損失。
能量從切割區(qū)損失的方式有傳導(dǎo)、對流和輻射。根據(jù)：Lim研究報道可知，激光切割中最主要的熱損失是由于熱傳導(dǎo)，而熱輻射以及對流導(dǎo)致的散熱非常小，以至于可以忽略不計。該結(jié)論也被Powell、Vicanek和Simon證實(shí)。
切割過程的能量平衡方程中，工件吸收的激光功率Plas由式（2）得到：
Plas＝APout （2）
式中 A──工件對激光的吸收率；
Pout──激光器輸出功率。
材料對激光的吸收率受到波長、溫度、表面粗糙度、表面涂層等多因素影響。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，波長愈短，吸收率越高。材料對激光的吸收率隨溫度而變化的趨勢是隨溫度升高而吸收率增大，金屬材料在室溫時的吸收率均很小，當(dāng)溫度升高到接近熔點(diǎn)時，其吸收率可達(dá)40％～50％；如溫度接近沸點(diǎn)，其吸收率高達(dá)90％。并且，激光功率越大，金屬的吸收率越高。增大表面粗糙度和利用涂層材料也都可以提高吸收率。
而單位時間切縫金屬燃燒放出的能量由Fe-O燃燒反應(yīng)決定，因此必須分析此過程中所發(fā)生的物理化學(xué)變化。在Fe-O燃燒過程中，鐵與氧氣的反應(yīng)有三種方式：
2Fe＋O2→2FeO＋267kJ （3）
3Fe＋2O2→Fe3O＋1120.5kJ （4）
4Fe＋3O2→2Fe2O3＋823.4kJ （5）
這些反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，根據(jù)上述反應(yīng)式計算可得到單位質(zhì)量Fe生成氧化物時所放出的熱量。在氧氣助熔化激光切割過程中究竟會發(fā)生哪種氧化反應(yīng)，可以通過熔渣成分的分析來確定。應(yīng)在緊靠工件的底面收集熔渣，否則熔渣中的熔融Fe可能會在空氣中被不斷地氧化成FeO，而影響對熔渣成分的分析。
從圖5可以看出燃燒反應(yīng)主要以式（3）為主，在切割速度低于0.5m/min時，由于割縫部位氧氣供應(yīng)充足，燃燒反應(yīng)占了主要成分，幾乎所有的Fe都參與了燃燒反應(yīng)生成FeO，還有一小部分生成了Fe3O4。隨著切割速度的加快熔渣中Fe的成分在不斷增加。這說明，在切割速度較高時，利用激光束能量熔化工件的比重增加，而Fe-O燃燒反應(yīng)的比重降低。當(dāng)?shù)退偾懈顣r，F(xiàn)eO占多數(shù)，此時以Fe-O的燃燒熱為主；由于切割速度跟不上燃燒反應(yīng)的速度，過剩的反應(yīng)熱就使切口發(fā)生過度熔化，形成較寬的、不整齊的切口，切口的表面粗糙度大、熱影響區(qū)也將擴(kuò)大，鋼板底面還會產(chǎn)生掛渣，從而使切割質(zhì)量下降。
因此單位時間切縫金屬燃燒放出的熱量Qoxid可由下式得到：
Qoxid＝μMFeO△Q/mt （6）
式中 △Q──Fe的燃燒熱；
MFeO──FeO的摩爾質(zhì)量；
μ──熔渣中的燃燒過的鐵占的比例，一般為40％～60％；
mt──單位時間燃燒的切縫金屬質(zhì)量，mt＝ρmbhδυ；
ρm──切縫金屬的密度；
bh──切縫寬率；
δ──被加工鋼板的板厚；
υ──激光光束的移動速度。
單位時間內(nèi)的焓變：
Ht＝mt(c△T＋hm) （7）
式中 Ht──單位時間內(nèi)的焓變；
mt──單位時間燃燒的切縫金屬質(zhì)量；
c──比熱容；
△T──溫升，△T＝Tm－To；
Tm──為工件的熔點(diǎn)溫度；
To──為環(huán)境溫度；
hm──熔化相變的比焓。
可見焓變由兩部分組成：①切縫金屬加熱到熔點(diǎn)的熱量；②將之熔化的熱量。
mt是切割速度及切縫寬度的函數(shù)，故Qoxid也是切割速度及切縫寬度的函數(shù)。由前面的討論可知，Ht亦為速度的函數(shù)，故通過求解熱平衡方程，可獲得切割速度的值。
由式（1）可得Qcond＝Plas＋Qoxid－Ht，Qcond即為溫度場的熱源。
2.4 激光切割過程溫度場的數(shù)學(xué)模型
為了建立數(shù)學(xué)模型，將鋼板的激光切割過程分為兩個階段：激光打孔和激光切割。加工開始時，激光以集中固定點(diǎn)熱源的方式照射在鋼板的起割點(diǎn)處，鋼板吸收激光的能量并轉(zhuǎn)換為熱能，由于輸入能量大于輸出能量，起割點(diǎn)處的溫度不斷上升，并向周圍傳熱。此時，只有激光的能量作為輸入能量，可被看作點(diǎn)熱源加熱鋼板。當(dāng)溫度達(dá)到鋼材的燃點(diǎn)970℃后，在輔助氣體氧氣的參與下，F(xiàn)e-O的燃燒反應(yīng)開始從其中一點(diǎn)處開始，并逐步向周圍擴(kuò)展，由于受到帶有一定壓力氧氣的向下沖擊力的作用以及燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的熔渣的重力作用，燃燒反應(yīng)不斷向金屬下層傳播。當(dāng)燃燒反應(yīng)將鋼板燒穿后，反應(yīng)物Fe3O4和FeO以及熔融的Fe所構(gòu)成的熔渣被輔助氣體從燒透的小孔中吹出，至此切割過程的第一階段激光打孔結(jié)束。從燃燒開始后，激光和Fe-O反應(yīng)的燃燒熱作為輸入能量可被看作點(diǎn)熱源對鋼板作用。
當(dāng)鋼板在激光和燃燒反應(yīng)的共同作用下被燒穿后，激光光源開始以一定的切割速度向前移動。在切割前沿處，由于氧氣噴嘴隨激光同時移動，燃燒反應(yīng)所需的氧氣很充足，又有激光束作為輸入能量在燒穿的小孔內(nèi)壁不斷被反射吸收，加上前一階段打孔時熱傳導(dǎo)的預(yù)熱效果，使得Fe-O燃燒反應(yīng)可以迅速地連續(xù)進(jìn)行。隨著切割前沿金屬的不斷燃燒、熔化和排除，就在鋼板上形成了割縫，這一階段就是激光的切割階段。在切割過程中，由于切割前沿的割縫處燃燒反應(yīng)一直進(jìn)行，在整個板厚上不斷地有熔渣產(chǎn)生，激光和Fe-O反應(yīng)的燃燒熱可被作為線熱源處理。
根據(jù)熱傳導(dǎo)微分方程，再代入具體條件，就可以推導(dǎo)出點(diǎn)熱源、線熱源和面熱源的瞬時傳熱計算公式。
可以考慮在瞬時把點(diǎn)熱源的熱能Q作用在存大鋼板的某點(diǎn)上，假定鋼板的初始溫度均勻?yàn)?℃，邊界條件不考慮表面散熱問題，則在距熱源為R的某點(diǎn)經(jīng)t時間后，所形成的溫度場是以R為半徑的等溫半球面。其相應(yīng)的傳熱計算公式為：
式中 Q──熱源在瞬時給鋼板的熱能；
R──距熱源的坐標(biāo)距離，R＝（x2＋y2＋z2）1/2；
t──傳熱時間；
c──被加工材質(zhì)的比熱容；
ρ──被加工材質(zhì)的密度；
α──被加工材質(zhì)的熱擴(kuò)散率。
在厚度為h的無限大薄板上，當(dāng)熱源沿板厚方向熱能均勻分布作用于鋼板上某處時，即相當(dāng)于線熱源。假設(shè)鋼板的初始溫度為0℃，不考慮鋼板與周圍介質(zhì)的換熱問題，則據(jù)熱源為r的某點(diǎn)，經(jīng)t后，由于沒有z向傳熱，所形成的溫度場是以r為半徑的平面圓環(huán)。其傳熱計算公式為：
式中，r＝（x2＋y2＋）1/2。
在瞬時之內(nèi)把熱能Q作用在斷面為F的工件上，即相當(dāng)于面狀熱源傳熱。同樣也假設(shè)工件的初始溫度為0℃，邊界條件不考慮散熱，則距熱源中心為x的某點(diǎn)，經(jīng)t時間后該點(diǎn)的溫度可用下式運(yùn)算求得。
以上是根據(jù)最簡單的情況，利用數(shù)學(xué)分析法求解出不同情況下瞬時集中點(diǎn)熱源、線熱源和面熱源作用后，經(jīng)t時間后某點(diǎn)的溫度計算公式。這些公式能夠定性地反映傳熱的實(shí)際情況。但是，由于這些計算公式的原始假設(shè)條件的局限性，故不能完全定量地確定溫度，只能作為定性估算。
根據(jù)前面的分析，在激光切割加工的第一階段打孔過程中，激光以及Fe-O燃燒熱作為熱源應(yīng)屬于點(diǎn)狀連續(xù)固定熱源。此時可以認(rèn)為熱源在t時間內(nèi)是無數(shù)個瞬時熱源作用的總和，其作用結(jié)果應(yīng)等于各個瞬時熱源獨(dú)立作用時使計算點(diǎn)溫度變化的累積。則在瞬時熱能為dQ(dQ＝qdt′) 的熱源連續(xù)作用△t時間（△t＝t－t′) ，距熱源為R的某點(diǎn)將產(chǎn)生dT的溫度變化。再把無數(shù)個瞬時熱源的作用積分，即可求出連續(xù)固定熱源作用△t時間后該點(diǎn)的溫度。
對上式積分運(yùn)算后，可得：
根據(jù)前面的分析，在激光切割的第二階段切割過程中，激光以及Fe-O燃燒熱作為熱源應(yīng)屬于線狀連續(xù)快速移動熱源。當(dāng)激光以一定功率照射鋼板時，開始一段時間內(nèi)，溫度場中的各點(diǎn)隨時間的變換而變化，屬于不穩(wěn)定溫度場；在鋼板厚方向基本燒穿后，溫度場就逐漸達(dá)到了飽和狀態(tài)，形成了暫時穩(wěn)定溫度場，又可稱為準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場。此時鋼板上割縫周圍的溫度場雖然會隨時間而變化，但隨著激光束的移動，可發(fā)現(xiàn)這個溫度場與熱源以同樣的速度跟隨移動。如果采用移動坐標(biāo)系，坐標(biāo)的原點(diǎn)與熱源的中心相重合，則鋼板上各點(diǎn)的溫度值取決于系統(tǒng)的空間坐標(biāo)，而與時間無關(guān)。
由于熱源的移動速度通常都大于2m/min，而且激光切割的熱影響區(qū)很小，因此可以認(rèn)為在熱源產(chǎn)生的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場范圍內(nèi)，在瞬間熱源就由一端移到了另一端，如同一個細(xì)長的熱源瞬時作用在工件上；又因?yàn)闊嵩匆苿拥煤芸欤梢哉J(rèn)為在熱源移動的軸線上不存在溫度梯度，只在該軸線的垂直方向上有熱的傳播過程。
為了便于分析，現(xiàn)將圖6所示的薄板上截取ABCD與abcd之間的截片之后，就如同一個面狀瞬時熱源作用在方形的細(xì)棒上。Xo即為熱源移動的軸線方向，其中熱源有效功率為q，速度為υ，薄板厚度為h。則工件上某點(diǎn)經(jīng)t時間后的溫度計算公式可利用面狀瞬時熱源的傳熱公式得到。
式中，yo為工作上某點(diǎn)到熱源運(yùn)行軸線的垂直距離。
根據(jù)上面對激光切割過程的理論分析和建立的數(shù)學(xué)模型，就可以利用計算機(jī)的計算能力，模擬出激光切割過程中工件在t時刻某點(diǎn)溫度、顏色、狀態(tài)等的變化。
可以看出影響激光切割的參數(shù)很多，其中一些內(nèi)部因素k、ρ、C、λ等在加工過程中變化比較小，可作為常數(shù)處理。而外部因素Pout、υ、h等在加工過程中經(jīng)常會發(fā)生變化，進(jìn)而影響激光切割的加工效果。
3 激光切割的工藝分析
激光切割是熔化與汽化相結(jié)合的過程，影響其切割質(zhì)量的因素很多，除了機(jī)床、加工材料等硬件因素之外，其他軟件因素也對其加工質(zhì)量有很大的影響。根據(jù)實(shí)際切割中出現(xiàn)的問題，結(jié)合激光切割本身的特點(diǎn)，研究這些軟件因素對加工質(zhì)量的影響正是計算機(jī)輔助工藝設(shè)計的基本內(nèi)容，具體包括以下幾點(diǎn)：
① 打孔點(diǎn)的選擇，根據(jù)實(shí)際情況確定打孔點(diǎn)的位置；
② 輔助切割路徑的設(shè)置；
③ 激光束半徑補(bǔ)償和空行程處理；
④ 通過板材優(yōu)化排樣來節(jié)省材料盡可能提高板材利用率；
⑤ 結(jié)合零件套排問題的路徑選??；
⑥ 考慮熱變形等加工因素影響后的路徑。
3.1 打孔點(diǎn)位置的確定
激光切割要從一個起始點(diǎn)開始切割，這個點(diǎn)叫做打孔點(diǎn)，具體來說打孔點(diǎn)就是指激光束開始一次完整的輪廓切割之前在板材上擊穿的一個很小的孔，因?yàn)橄旅婢o接著的切割就是從這一點(diǎn)開始，所以有時又稱為“引弧孔”，也可以叫做切割起始孔。對于沒有精度要求或要求不高的板材切割可以直接將打孔點(diǎn)設(shè)置在零件的切割輪廓上。由于打孔點(diǎn)的形成需要一段預(yù)熱時間而在其周圍形成熱影響區(qū)，加上打孔點(diǎn)的直徑比正常切縫大，因此打孔點(diǎn)處的質(zhì)量一般比線切割的質(zhì)量差得多。如果將打孔點(diǎn)設(shè)置在零件輪廓上，就會大大影響零件的加工質(zhì)量，所以對于精密加工，為了提高切割質(zhì)量，保證加工精度，必須在切割路線的起點(diǎn)附近設(shè)置一個打孔點(diǎn)，也就是將打孔點(diǎn)設(shè)置的板材廢域上而不可以直接設(shè)置在零件輪廓上。
打孔點(diǎn)的合理設(shè)置對于零件的切割質(zhì)量有很重要的影響。設(shè)置合理的打孔點(diǎn)距離零件切割路線起點(diǎn)的長短值也是很重要的。這是因?yàn)椋す馇懈畹某杀竞芨?，如果這個值設(shè)置的很長，那么就會增加加工的成本，同時也降低了加工的效率；而脈沖激光從激光束產(chǎn)生到各項(xiàng)參數(shù)如激光功率等基本保持穩(wěn)定需要一個過程，所以也不能將這個值設(shè)置的很短；另外，如果考慮激光切割板材的熱流影響，那么情況將更加復(fù)雜，所以合理的打孔點(diǎn)位置非常重要。同時打孔參數(shù)和切割參數(shù)也是有區(qū)別的，切割參數(shù)在打孔的情況下變成了打孔時間。打孔時間是打孔過程中一個很關(guān)鍵的參數(shù)，這個時間短了打不穿板材，長了又會使材料產(chǎn)生較大的熔損，因此這個參數(shù)的選取也要根據(jù)板材材質(zhì)和厚度的不同，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)獲得最佳的數(shù)據(jù)。
3.2 輔助切割路徑的設(shè)置
零件輪廓以外的切割路徑統(tǒng)稱為輔助切割路徑，精密加工時，設(shè)置輔助切割路徑是保證零件外輪廓切割質(zhì)量的一條很重要的工藝措施。激光切割最終是利用熱能熔化和汽化板材達(dá)到切割的目的，所以如果出現(xiàn)散熱不均勻而產(chǎn)生熱量集中的現(xiàn)象是地，就可能降低加工精度，甚至燒壞零件，因此設(shè)置輔助切割路徑是非常有必要的。輔助切割路徑分為兩類：一類是“切入、切出輔助路徑”，即引入、引出線；另一類是“環(huán)形輔助路徑”。
3.2.1 切入、切出輔助路徑的設(shè)置
“切入、切出輔助路徑”即在精密加工時，為了使零件輪廓光滑，過渡流暢，引入、引出線從輪廓以外切入、切出零件的輔助路徑。對于精度要求不高的鈑金下料，可以將“引弧孔”直接設(shè)置在零件的輪廓上，不加入引入、引出線，但是由于“引弧孔”的直徑比正常的切縫大，所以對于精密加工，為了提高切割質(zhì)量，保證加工精度，應(yīng)將“引弧孔”設(shè)置于板材廢域上而不能直接設(shè)置在零件輪廓本身上?？傊?、引出線的設(shè)置就是為了使激光束質(zhì)量穩(wěn)定，避開引弧孔對整個零件輪廓切割的影響。切割時從引入線進(jìn)入，切割完畢后從引出線退出。
3.2.2 環(huán)形輔助切割路徑的設(shè)置
設(shè)置輔助切割路徑是保證零件外輪廓切割質(zhì)量的重要工藝措施。激光切割最終是利用熱能熔化和汽化板材達(dá)到切割的目的，如果出現(xiàn)散熱不均而產(chǎn)生熱集中應(yīng)可能影響加工質(zhì)量，尤其在零件尖角切割時最容易出現(xiàn)此現(xiàn)象，大大降低了零件的加工精度，甚至燒壞零件。所以在外輪廓的夾角部位設(shè)置一段封閉的環(huán)形輔助切割路徑，這樣就可以保證零件的切割精度，如圖7所示，環(huán)形輔助路徑的設(shè)置就是為了在不改變激光功率和切割速度的情況下完成對外輪廓尖銳部位的正常切割。目前在實(shí)際切割過程中，還可以通過功率/速度（P/υ）控制來保證零件尖角的加工精度，避免產(chǎn)生熱集中，如圖8所示，用戶自行設(shè)定P/υ控制范圍、d的大小。當(dāng)切割接近輪廓尖角部位時，及時降低激光器功率和切割速度，使熱量均勻分布在零件輪廓上，從而保證了加工的質(zhì)量。
3.3 激光束半徑補(bǔ)償和空行程處理
由于激光束存在發(fā)散，因此聚焦后不可能是一個幾何點(diǎn)而是一個具有一定直徑的光斑，精度切割時必須對其進(jìn)行半徑的自動補(bǔ)償。在實(shí)際的激光切割中，光斑直徑一般在100～500μm，自動補(bǔ)償時激光束中心軌跡偏離理論輪廓一個光斑半徑，并對偏移后的中心軌跡進(jìn)行處理。
激光頭噴嘴在切割板材時，為了確保激光束的焦點(diǎn)在板材上的位置不變，需要在噴嘴上附加一個隨動裝置以保證激光的正常切割。這樣就引發(fā)了另一個問題，即當(dāng)激光噴嘴的切割路徑從已切割且落料后的區(qū)域中通過時，由于隨動裝置要保持激光束焦點(diǎn)的位置，則會出現(xiàn)激光頭下落，導(dǎo)致加工受阻停止，嚴(yán)重的還會損壞激光頭。因此，在激光切割排好樣的板材時，零件與零件之間的過渡需要激光頭噴嘴有一段空行程。為了防止空行程時激光頭噴嘴下沉，損壞激光器，空行程應(yīng)避開已經(jīng)切割掉的板材空洞。
3.4 優(yōu)化排樣及其算法
在板材的激光切割中，零件在板材上的排放方法是影響材料利用率以及生產(chǎn)周期的關(guān)鍵。手工排樣工作效率較低，自動排樣不僅大大提高了材料的利用率，而且使生產(chǎn)周期大大縮短。對于多個零件間的嵌套排列，合理的排放零件位置使得用料最省，優(yōu)化排樣非常重要。
所謂優(yōu)化排樣是指將待切割零件的形狀輪廓放置在給定規(guī)格大小的鋼板上進(jìn)行優(yōu)化排列，使得鋼板的利用率盡可能的高。一般來說自動排樣常常與交互排樣相結(jié)合以達(dá)到排樣結(jié)果的最優(yōu)化。
在優(yōu)化排樣過程中還應(yīng)該考慮排樣預(yù)處理、切割工藝、切割效率等問題。尤其是零件連續(xù)切割和共邊切割的問題。目前有很多的自動排樣系統(tǒng)都得到了廣泛的應(yīng)用。優(yōu)化排樣的目的是在給定大小的板材上安置盡可能多的零件，或?qū)⒔o定的零件安置在盡可能小的板材上，從而使材料利用率盡可能高。國外學(xué)者對二維自動優(yōu)化排樣提出了很多算法，如人機(jī)交互法、解析函數(shù)法、啟發(fā)式搜索法和兩步法等。
3.5 結(jié)合零件套排問題的路徑選取
在實(shí)際激光切割板材中，切割質(zhì)量與其復(fù)雜的幾何形狀相關(guān)。為了提高板材的利用率，排樣進(jìn)常常是采用零件套排的形式，對于這種排好樣的板材零件的切割，合理的切割順序應(yīng)是從里到外，以防止由于板材變形而導(dǎo)致加工質(zhì)量受到影響。在切割排列大小不一的零件板材上，應(yīng)先切割小件，后切割與其相鄰的大件，目的也是為了防止板材變形。
3.6 考慮熱效應(yīng)對路徑的影響
在激光切割銳角孔槽過程中，由于工件過熱而導(dǎo)致了切割質(zhì)量不可避免的下降，鑒于此，在路徑選取時還要考慮這方面的工藝處理，應(yīng)努力做到尋找一條優(yōu)化的切割路徑以滿足用戶對切割質(zhì)量的要求。這一優(yōu)化的路徑不僅要使切割行程盡可能短（含空行程），而且還應(yīng)該考慮在該路徑下切割的過程中產(chǎn)生的工件熱量的影響，而將這兩方面有機(jī)的結(jié)合形成真正的適合激光切割過程的路徑才是最有實(shí)用價值的。因此，在實(shí)際的激光切割過程中要想獲得較高的生產(chǎn)效率和較好的加工質(zhì)量，不但需要考慮切割行程盡可能的最短，還要考慮其熱影響因素，盡可能地使加工過程中產(chǎn)生熱量的影響最小，減小熱變形或由于過熱而引起的板材報廢，參見圖9。圖9(a)中沒有考慮熱效應(yīng)對切割路徑的影響，雖然切割路徑較短，但是不能獲得較好的加工質(zhì)量；而圖9(b)中考慮了熱效應(yīng)對切割路徑的影響，減小了熱變形，保證了良好的加工質(zhì)量。
綜上所述，激光切割板材的工藝要素包括很多方面。在激光切割加工過程中，切割路徑和切割速度將決定切割加工的時間。在切割速度一定的情況下，激光切割路徑的選取將直接影響切割加工的時間，從而影響切割加工的效率。
4 激光切割的質(zhì)量評價
4.1 激光切割零件的尺寸精度
在一般材料的激光切割過程中，由于切割速度較快，零件產(chǎn)生的熱變形很小，切割零件的尺寸精度主要取決于切割設(shè)備的數(shù)控工作臺的機(jī)械精度和控制精度。
在脈沖激光切割加工中，采用高精度的切割裝置與控制技術(shù)，尺寸精度可達(dá)μm量級。在連續(xù)激光切割是地，零件的尺寸精度通常在±0.2mm，個別的達(dá)到±0.1mm。表1為CO2脈沖激光切割SK3高碳鋼時的尺寸偏差。
表1 CO2脈沖激光切割SK3高碳鋼時的尺寸偏差
試樣尺寸/mm
實(shí)測的尺寸偏差/μm
試樣的尺寸分散度/μm
79.0×45.0矩形
ф4.7圓孔
50以下
80以下
±10以下
±30以下
注：切割參數(shù)：脈沖峰值功率450W；脈沖脈寬比48％；脈沖頻率400Hz；切割速度0.5m/min。
4.2 激光切割的切口質(zhì)量
目前國際上對激光切割的質(zhì)量評價還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，我國尚無有關(guān)激光切割面質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，日本也無專用標(biāo)準(zhǔn)，檢測激光切割質(zhì)量的主要依據(jù)引用部分JIS和WES（焊接規(guī)格）等。在CEN（歐洲標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)）和ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)）討論了有關(guān)激光切割的標(biāo)準(zhǔn)化問題。以EU為主的提供的有關(guān)ISO9000系列質(zhì)量保證方法，具體研究了激光切割的詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)和對標(biāo)準(zhǔn)試件的規(guī)定。其內(nèi)容包括有關(guān)切割質(zhì)量的等級劃分、設(shè)定樣品的標(biāo)準(zhǔn)、加工樣品的標(biāo)準(zhǔn)、價格樣品的機(jī)種、詳細(xì)的光學(xué)系統(tǒng)、振動器及光束特性等。
激光切割的切口質(zhì)量要素示意如圖10所示。主要體現(xiàn)在切口寬度、切割面的體面斜角以及切割面的粗糙度等。
（1）切口寬度
激光切割金屬材料時的切口寬度，同光束模式和聚焦后的光斑直徑有很大的關(guān)系，CO2激光束聚焦后的光斑直徑一般在0.15～0.3mm之間。激光切割低碳鋼薄板時，焦點(diǎn)一般設(shè)置在工件上表面，其切口寬度與光斑直徑大致相等。隨著切割板材厚度的增加，切割速度下降，就會形成上寬下窄的楔形切口，如圖10(a)所示，且上部的切口寬度也往往大于光斑直徑。一般來說，在正常切割時，CO2激光切割碳鋼時的切口寬度約為0.2～0.3mm。
（2）切割面的傾斜角
在激光切割厚金屬板材時，切口會呈現(xiàn)出上寬下窄形，有時在下口面也出現(xiàn)倒V形，如圖10 (b)所示，工件切割實(shí)驗(yàn)表明，切割面傾角的大小同切割方向有關(guān)，但一般都在1°以內(nèi)，基本上看不出明顯的傾角。
在CO2切割不銹鋼板時，為避免粘渣，焦點(diǎn)位置通常設(shè)在表面以下部位，因而其傾角比碳鋼切割略大，即使在不銹鋼薄板場合也出現(xiàn)傾斜的切割面。在激光切割功率密度P0＝3×106W/cm2的條件下，切口下緣的倒V形塌角量△F與板料厚度t的關(guān)系可以下式近似表示：
△F≈（10－25）t （μm） （14）
當(dāng)P0增大，△F值就減小。因此采用高功率密度的激光束切割時，△F值就不明顯。
（3）切割面的粗糙度
影響切割面粗糙度的因素較多，除了光束模式和切割參數(shù)外，還有激光功率密度、工件材質(zhì)和厚度。對于較厚板料，沿厚度方向切割面的粗糙度較大差異，一般上部小，下部粗。在用激光功率1kW切割低碳鋼的場合，當(dāng)P0≥3×106W/cm2時，切割面粗糙度Rz可用下式估算：
Rz≈（3－5）t （μm） （15）
表2為3kW的CO2激光切割低碳鋼中厚板時切割面最大粗糙度的實(shí)測數(shù)據(jù)，從中看出切割面粗糙度隨板厚的差別。
表2 3kW CO2激光切割低碳鋼中厚板時切割面最大粗糙度/μm
板厚/mm
9
12
16
19
平均值
上
中
下
11.0
11.72
17.76
12.88
19.48
25.56
17.32
20.72
42.16
25.96
29.64
54.16
17.04
20.39
37.66
平均值
12.49
22.97
27.07
35.58
25.03
注：切割參數(shù)：激光功率3kW；輔助氣體O2，0.37～0.47MPa；離焦量＋0.5mm。
5 影響激光切割質(zhì)量的因素
影響激光切割質(zhì)量的因素很多，除了切割參數(shù)和工件本身特性的影響以外，還同照射功率密度、外光路系統(tǒng)、噴嘴直徑和噴嘴與工件表面間距等影響因素有關(guān)。綜合國內(nèi)外大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)分析，影響激光切割質(zhì)量的主要因素可以分為兩類：①一類是加工系統(tǒng)性能和光的影響；②另一類是加工材料因素和工藝參數(shù)的影響。
具體參看圖11所示。在影響激光切割質(zhì)量的諸多因素中，有的是由加工工作臺本身確定的，如機(jī)械系統(tǒng)精度、工作臺振動程度等；有的是材料固有的因素，如材料的物理化學(xué)性質(zhì)、材料的反射率等；而還有一些因素是要根據(jù)具體的加工對象以及用戶質(zhì)量的要求作出選擇，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，來確定相關(guān)的參數(shù)，如輸出功率、焦點(diǎn)位置、切割速度以及輔助氣體等等。因此，對于一個完整的系統(tǒng)，必須對其可調(diào)因素與加工質(zhì)量之間的關(guān)系進(jìn)行深入的研究，建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫。
5.1 激光功率對切割能力和質(zhì)量的影響
激光切割的質(zhì)量主要包括幾個方面：尺寸精度、切口寬度、切割面的粗糙度和熱影響區(qū)的寬度及硬度。
① 激光功率與切割厚度 激光功率越大，所能切割的材料厚度也越厚；但相同功率的激光，因材料不同，所能切割的厚度也不同。表3給出了各種功率的CO2激光切割某些金屬材料的實(shí)驗(yàn)最大厚度。
表3 激光功率與切割金屬的最大實(shí)用厚度
CO2激光功率/W
實(shí)用最大切割厚度/mm
碳素鋼
不銹鋼
鋁合金（A5052）
銅
黃銅
1000
1500
2000
3000
15000
12
12
22
25
80
9
－
12
14
55
3
6
－
10
－
1
約3
5
5
－
2
約4
5
8
－
② 激光功率與切割速度 CO2激光切割不同板厚不同材料時的激光功率與切割速度的關(guān)系見圖12，可見，功率與板厚的比值同切割速度成正比關(guān)系。在相同的激光功率條件下，激光有氧切割的速度比激光熔化切割要快得多。
③ 激光功率與表面粗糙度 在激光切割加工中，照射到工件上的激光功率密度P0（W/cm2）和能量密度E0(J/cm2)對激光切割過程起著重要的影響。激光功率密度P0與切割面粗糙度的關(guān)系如圖13所示，隨著激光功率密度的提高，粗糙度降低。當(dāng)功率密度P0達(dá)到某一值（3×106W/cm2左右）后，粗糙度Rz值不再減少。
5.2 激光束的質(zhì)量
（1）光斑直徑
激光切割的切口寬度同光束模式和聚焦后光斑直徑有很大的關(guān)系。由于激光照射的功率密度和能量密度都與激光光斑直徑d有關(guān)，為了獲得較大的功率密度和能量客度，在激光切割加工中，光斑尺寸要求盡可能小。而光斑直徑的大小主要取決于振蕩器輸出的激光束直徑及其發(fā)散角的大小，同時與聚焦透鏡的焦距有關(guān)。對于一般激光切割中應(yīng)用較廣的ZnSe平凸聚焦透鏡，其光斑直徑d與焦距?、發(fā)散角θ及未聚焦的激光束直徑D之間的關(guān)系可按下式進(jìn)行計算：
激光束聚焦?fàn)顩r及發(fā)散角與光斑直徑的關(guān)系如圖14所示，由圖可知，激光束本身的發(fā)散角較小，光斑的直徑也會變小，就能獲得好的切割效果。
減小透鏡焦距?有利于縮小光斑直徑，但?減小，較深縮短，對于切割較厚板材，就不利于獲得上部和下部等寬的切口，影響割縫質(zhì)量；同時，?減小，透鏡與工件的間距也縮小，切割時熔渣會飛濺黏附在透鏡表面，影響切割的正常進(jìn)行和透鏡的實(shí)驗(yàn)壽命。
透鏡焦長小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。它適用于薄件高速切割，只需注意恒定控制透鏡和工件間距。長焦透鏡的聚焦光斑功率密較低，但其焦深大，可用來切割厚斷面材料。
透鏡焦長、焦深與光斑大小的關(guān)系如圖15所示。從圖可見：焦長短，聚焦光斑小；焦長長，聚焦光斑也大，焦深變化也如此。當(dāng)透鏡焦長增加，使聚焦光斑尺寸增加1倍，即從Y到2Y時，焦深可隨之增加到4倍，即從X到4X。
對于實(shí)際切割應(yīng)用來說，最佳的光斑尺寸還要根據(jù)被切割材料的厚度來考慮。如用同一輸出功率激光束切割鋼板，隨著板厚增加，為了獲得最佳切割質(zhì)量，光斑尺寸也應(yīng)適當(dāng)增大。
（2）光束模式
光束模式與它的聚焦能力有關(guān)，與機(jī)械刀具的刃口尖銳度有點(diǎn)相似。最低階模是TEMoo，光斑內(nèi)能量呈高斯分布。它幾乎可把光束聚焦到理論上最小的尺寸，如幾個微米直徑，并形成陡尖的高能量密度。激光模式示意如圖16。而高階或多模光束的能量分布較擴(kuò)張，經(jīng)聚焦的光斑較大而能量密度較低，用它來切割材料如一把鈍刀。
模式涉及腔內(nèi)激光沿著平行于腔軸一個或多個通道振蕩的能力?；＜醋畹碗A模（TEMoo），意味著激光僅沿腔軸發(fā)生，在輸出總功率相同情況下，基模光束焦點(diǎn)處的功率密度比多模光束高兩個數(shù)量級。一個千瓦級TEMoo光束用63.5mm焦長透鏡在焦點(diǎn)處可獲108～109W/cm2功率密度光斑，足以把像鎢那樣的高熔點(diǎn)金屬汽化。
對切割來說，基模光束因可聚焦成較小光斑獲得高功率密度，而比高階模光束有利。試驗(yàn)表明：采用基模CO2激光器進(jìn)行薄板切割比采用多模激光器時質(zhì)量要好很多，即使基模激光功率（500W）比多模功率（1500W）低很多時，切縫也小很多，這主要是因?yàn)榛r激光功率密度較高的緣故。用它來切割材料，可獲得窄的切縫、平宜的切邊和小的熱影響區(qū)。其切割區(qū)重熔層最薄，下側(cè)粘渣程度最輕，甚至不粘渣。
光束的模式越低，聚焦后的光斑尺寸越小，功率密度和能力密度越大，切割性能也就越好。在低碳鋼的切割場合，采用基模TEMoo時的切割速度比采用TEM01模式時高出10％，而其產(chǎn)生的粗糙度Rz則要低10μm，如圖17所示。在最佳切割參數(shù)時，切割面的粗糙度Rz只有0.8μm。圖18為激光切割SUS304不銹鋼板時不同模式對切割速度的影響，從中可以看出，采用功率為500W的基模激光的切割速度為2.0m/min，而同樣功率的復(fù)式模激光，其切割速度只有1.0m/min。
因此，在金屬材料的激光切割中，為了獲得較高的切割速度和較好的切割質(zhì)量，一般使用TEMoo模式的激光，復(fù)式低價模激光僅用于某些非金屬材料的切割。
（3）光束偏振性
幾乎所有用于切割的高功率激光器都是平面偏振，也就是在發(fā)射光束內(nèi)電磁波都在同一平面內(nèi)振動。電磁波在垂直于工件的平面或表面內(nèi)平面振動，對能量耦合效應(yīng)的差別較小。在表面處理和焊接領(lǐng)域，光束的偏振問題并不重要。但在切割過程中，光束在切割面上不斷反射，如果光束沿著切縫方向振動，光束能將被最好地吸收。
光束偏振與切縫質(zhì)量密切有關(guān)。在實(shí)際切割中發(fā)生的縫寬、切邊粗糙度和垂直度變化都與光束偏振有關(guān)。與任何形式的電磁波傳輸一樣，激光束具有電和磁的分矢量，它們相互垂直并與光束前進(jìn)方向成直角。在光學(xué)領(lǐng)域，傳統(tǒng)上以電矢量的方向作為光束偏振方向。
偏振方向的重要性對某些材料（如大多數(shù)金屬和陶瓷等）在激光束的吸收程度上體現(xiàn)出來。
1981年，丹麥工業(yè)大學(xué)材料加工研究所的學(xué)者用500W CO2激光器切割的0.7mm的鋼板時，發(fā)現(xiàn)在一個方向上的切割速度為其垂直方向切割速度的2倍。特別是在用數(shù)控高速切割時，切割速度方向性的變化十分明顯。由于偏振的結(jié)果，使得切縫的下部分的割面產(chǎn)生偏斜，如圖19所示。
圖20為光束偏振位向與切割質(zhì)量的關(guān)系示意，切割工件運(yùn)行方向與光束偏振方向平行，便會產(chǎn)生狹窄、平直切邊。當(dāng)工件運(yùn)行與光束偏振面成一角度時，能量吸收減少，最佳切速降低，切縫變寬，切邊漸粗糙并且不平直，有一斜度。一旦工件運(yùn)行方向與偏振位向完全垂直，切邊不再成斜坡，切速更慢，切割質(zhì)量顯得粗糙。
對復(fù)雜構(gòu)件來說，很難保持光偏振方向與工件運(yùn)行方向平行，一般是通過控制光束成圓偏振方式來獲得均勻一致的高質(zhì)量切縫。在聚焦前，諧振腔射出的線偏振光束先經(jīng)特殊附加的鏡片──圓偏振鏡。然后轉(zhuǎn)換成圓偏振光束，從而消除線偏振光束對切割質(zhì)量不良的方向效應(yīng)。在允許的最高切割速度下，圓偏振光束切割的切面質(zhì)量仍能在各個方向保持一致，切縫底部區(qū)切面角與切割方向偏離90°的現(xiàn)象也被消除。
5.3 輔助氣體和噴嘴的影響
5.3.1 輔助氣體
一般情況下，材料切割都需要使用輔助氣體，尤其是活性氣體，其有四個目的：①與金屬產(chǎn)生放熱化學(xué)反應(yīng)，增加能量強(qiáng)度；②從切割區(qū)吹掉熔渣，清潔切縫；③冷卻切縫鄰近區(qū)域，減小熱影響區(qū)尺寸；④保護(hù)聚焦透鏡，防止燃燒產(chǎn)物沾污光學(xué)鏡片。輔助氣體的類型和壓力對激光切割效率和質(zhì)量有很大的影響。通常，輔助氣體與激光束同軸由噴嘴噴出，以保護(hù)透鏡免受污染并吹走切割區(qū)底部熔渣，使切割過程順利持續(xù)進(jìn)行。切割過程中輔助氣體的使用有利于提高工件對激光的吸收率。因?yàn)槟承┙饘賹す獾姆瓷渎瘦^高，而輔助氣體受高能量激光照射后會迅速離解成等離子體，這些等離子體緊貼在工件表面，具有良好的吸收激光的能力，并將所吸收的光能傳遞到工件上，使切口區(qū)迅速加熱到足夠高的溫度；對于鐵系金屬的切割，采用O2作輔助氣體，由于切口區(qū)中發(fā)生鐵氧反應(yīng)，提供了大量的熱，使切割過程加速，從而提高了切割能力和質(zhì)量。因而，在激光切割時，輔助氣體是必需的，而且也是非常重要的。
使用什么樣的輔助氣體，牽涉到有多少熱量附加到切割區(qū)問題，如分別使用氧和氬作為輔助氣體切割金屬時，熱效果就會出現(xiàn)很大的不同。據(jù)估計，氧助切割鋼材時，來自激光束的能量僅占切割能量的30％，而70％來自氧與鐵產(chǎn)生的放熱化學(xué)反應(yīng)能量，但有些材料的氧助切割化學(xué)反應(yīng)太激烈，引起切邊粗糙，所以，像切割鈮那樣的活潑金屬，推薦使用20％～50％氧作輔助氣體，或直接使用空氣。當(dāng)要求獲得高的切邊質(zhì)量時，也可使用惰性氣體，如切割鈦。
非金屬切割對氣體密度或化學(xué)活性要求沒有金屬那樣敏感，如當(dāng)切割有機(jī)玻璃時，氣體壓力對切割厚度并無明顯影響（圖21）。
激光切割對輔助氣體的基本要求是進(jìn)入切口的氣流量要大，速度要高，以便有充足的氣體使切口材料充分進(jìn)行放熱反應(yīng)，并有足夠的動量將熔融材料噴射帶出。噴嘴氣流壓力過低，吹不走切口處的熔融材料；壓力過高，易在工件表面形成渦流，削弱了氣流去除熔融材料的作用。
5.3.2 噴嘴
輔助氣體的氣流及大小與切割用噴嘴的結(jié)構(gòu)和形式緊密相關(guān)，常用的噴嘴結(jié)構(gòu)如圖22所示。噴嘴孔尺寸必須允許光束順利通過，避免孔內(nèi)光束與噴嘴壁接觸。顯然，噴嘴內(nèi)徑越小，光束準(zhǔn)直越困難。另外，噴嘴噴出的輔助氣流必須與去除切縫內(nèi)熔融產(chǎn)物和加強(qiáng)切割作用有效地耦合。
圖23和圖24表示在一定的激光功率和輔助氣體壓力下，噴嘴直徑對2mm厚低碳鋼板切割速度的影響。從中可以看出，有一個可獲得最大切割速度的最佳噴嘴直徑值。不論是氧氣還中氬氣作為輔助氣體，這個最佳值大約為1.5mm左右。對切割難度較大的硬質(zhì)合金的激光切割試驗(yàn)表明，其最佳噴嘴直徑值也與上述結(jié)果極為接近，如圖25所示。
另外，噴嘴大小還影響熱影響區(qū)大小和切縫寬度等切割質(zhì)量，如圖26所示?？梢姡S著噴嘴直徑增加，熱影響區(qū)變窄，其主要原因是從噴嘴中出來的氣流對切割區(qū)母材產(chǎn)生強(qiáng)烈的冷卻作用。噴嘴直徑太大會導(dǎo)致切縫過寬；而噴嘴太小會引起準(zhǔn)直困難，誘使光束被小的噴嘴口削截。故常用噴嘴直徑為ф1～1.5mm。
5.3.3 噴嘴氣體壓力的影響
增加氣體壓力可以提高切割速度，但到達(dá)一個最大值后，繼續(xù)增加氣體壓力反而會引起切割速度的下降。從圖27和圖28看出，最大切割速度是激光功率和工件板厚的函數(shù)。在高的輔助氣體壓力下，切割速度降低的原因除可歸結(jié)為高的氣流速度對激光作用區(qū)冷卻效應(yīng)的增強(qiáng)外，還可能是氣流中存在的間歇沖擊波對激光作用區(qū)的干擾。氣流中存在不均勻的壓力和溫度，會引起氣流密度的變化。1981年，Kamalu和Steen用紋影照相技術(shù)，確定在氣體壓力較高時在噴嘴前方的工件表面上有一個密度梯度場存在，其形狀和大小取決于氣體壓力、噴嘴直徑以及噴嘴端面和工件距離。這樣的密度梯度場導(dǎo)致場內(nèi)折射率改變，從而干擾光束能量的聚焦，造成再聚焦或光束發(fā)散，如圖29所示。這種干擾會影響熔化效率，有時可能改變模式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致切割質(zhì)量下降。如果光束發(fā)散太甚，使光斑過大，會造成不能有效地進(jìn)行切割的嚴(yán)重后果。
5.3.4 噴嘴與工件表面距離的影響
噴嘴氣流與工件切縫耦合是個氣動力學(xué)問題，排出氣流形式和噴嘴與工件間距都是重要變量。噴嘴口離工件板面太近，會產(chǎn)生對透鏡的強(qiáng)烈返回壓力，影響對濺散切割產(chǎn)物質(zhì)點(diǎn)的驅(qū)散能力；但噴口離工件板面太遠(yuǎn)，也會造成不必要的動能損失。控制工件與噴口的距離一般為1～2mm。對異型工件的切割主要靠自動調(diào)節(jié)高度裝置，如觸頭、回流壓力和電感、電容變化等反饋裝置。
5.4 切割速度的影響
激光切割的速度對切割工件質(zhì)量有很大的影響，工件所允許的最大切割速度要根據(jù)能量平衡和熱傳導(dǎo)進(jìn)行估算，在一定的切割條件下，有最佳的切割速度范圍。在閾值以上，切割速度直接與有效功率密度成正比，而后者又與光束模式或光斑尺寸有關(guān)。因此切割速度隨下列因素變化：光束功率、光束模式、光斑尺寸、材料密度和開始汽化所需能量、材料厚度。
在特定的參量下，切速可適當(dāng)改變，以期獲得不同的切割質(zhì)量。對金屬而言，不同厚度材料切割時，都可有一個質(zhì)量滿意的切割速度范圍，如圖30所示，其中曲線的上限表示可切透的最高速度，下限表示防止材料切割時發(fā)生過燒的最低切速。圖31分別為鋼在某一功率條件下，材料厚度和切割速度的關(guān)系曲線。
切割速度對熱影響區(qū)大小和切縫寬度有較大的影響，圖32表明，隨著切割速度增加，切縫頂部熱影響區(qū)和縫寬都單一地減小，但切縫底部則出現(xiàn)最小值。
切割速度大小對切口粗糙度的影響如圖33所示。速度過低時，因氧化反應(yīng)熱在切口前沿的作用時間延長，切口寬度增大，切口波浪形比較嚴(yán)重，切割面也變粗糙。隨著切割速度的加快，切口逐漸變窄，直至上部的切口寬度相當(dāng)于光斑直徑。此時切口呈上寬下窄的楔形。繼續(xù)增加切割速度，上部切口寬度仍繼續(xù)變小，但下部相對變寬而形成倒楔形。
綜上所述，切割速度取決于激光的功率密度及被切材料的性質(zhì)和厚度等。在一定切割條件下，有最佳的切割速度范圍。切割速度過高，切口清渣不凈；切割速度過低，則材料過燒，切口寬度和材料熱影響區(qū)過大。
5.5 焦點(diǎn)位置的影響
激光切割時的焦點(diǎn)位置對割縫寬度和表面粗糙度產(chǎn)生很大的影響。由前面的分析，激光切割時的氣流密度梯度場造成的再聚焦光束，在切割起始時可能使焦點(diǎn)位置在工件表面以下，隨著加工的進(jìn)行，焦點(diǎn)逐漸移至接近表面。焦點(diǎn)位置的變化對切割質(zhì)量帶來較大的影響，圖34所示為焦點(diǎn)位置的變化對切縫寬度的影響，可以看出，當(dāng)切割焦點(diǎn)位置剛置于工件表面以下（約1/3板厚）可以獲得最大的切割深度和最小的割縫寬度。
焦點(diǎn)位置對切口粗糙度的影響如圖35，圖中橫坐標(biāo)αb為表面至聚焦透鏡的距離與透鏡焦距的比值。從圖中可以看出，當(dāng)0.988＜αb＜1.003時，切口最好。
6 常用工程材料的激光切割
6.1 金屬材料的激光切割
6.1.1 碳鋼
低碳鋼板的激光切割是激光切割技術(shù)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。通常，厚度在10mm以內(nèi)碳鋼鋼板可良好地進(jìn)行氧助激光切割。已有的研究表明，低碳鋼內(nèi)磷、硫偏析區(qū)的存在會引起切邊的熔蝕，所以，含雜質(zhì)低的優(yōu)質(zhì)鋼（如冷軋板），其切邊質(zhì)量優(yōu)于熱軋鋼。稍高的含碳雖可略為改善碳鋼的切邊質(zhì)量，但其熱影響區(qū)也有所擴(kuò)大。對于鍍鋅或涂塑薄鋼板（板厚0.5～2.0mm），激光切割速度快，省材料，也不會引起變形。切縫附近熱影響區(qū)小，近縫區(qū)鋅或塑料涂層不受損壞。當(dāng)板厚在1.6～6.0mm的范圍內(nèi)，光束焦點(diǎn)剛位于工件表面以及氧氣壓力恒定保持在1.4kgf/cm2的條件下，根據(jù)激光功率和切割速度變化。觀察低碳鋼切割質(zhì)量可分為以下三個區(qū)。
① 精細(xì)切割區(qū)─切面光滑、無粘渣。
② 輕微粘渣區(qū)─熔輕微黏著，一經(jīng)輕擦即可除去。
③ 牢固粘渣區(qū)─熔渣被牢固黏著，處于不能切割的邊緣。
圖36所示為激光切割低碳鋼板時切割參數(shù)間的關(guān)系?？梢姡S著功率密度的提高，切割速度和可切割板厚均可增加。如所切割的板厚增加，則采用較大直徑的噴嘴和較低的氧氣壓力，以防止燒壞切口邊緣。
采用CO2激光切割低碳鋼板的最大切割厚度可以下面方法近似估算：在激光功率100～1500W范圍內(nèi)，激光功率的瓦數(shù)除以100，即為最大切割厚度的毫米數(shù)。
圖37表示低碳鋼的上限切速（即開始粘渣的速度）和激光功率在板厚不大于6mm范圍內(nèi)的對數(shù)依存關(guān)系。按此實(shí)驗(yàn)值可推出經(jīng)驗(yàn)公式：
υ＝3.5t-0.56P1.4 （17）
式中，υ為上限切割速度；t為板厚；P為激光功率。
利用式（17），可根據(jù)激光功率對厚6mm以內(nèi)低碳鋼粗略地估計精細(xì)切割的切割速度；對較厚板9mm和12mm低碳鋼，在2kW激光功率和0.17MPa（1.7kgf/cm2）氧氣壓力條件下，獲得精細(xì)切割的切速分別為1.2m/min和1.0m/min。這個數(shù)值要比用上式計算所得值小，其原因主要在于此公式適用的板厚范圍不大于6mm。
6.1.2 不銹鋼
不銹鋼薄板的激光切割在工業(yè)生產(chǎn)中也占有較大的比重，不銹鋼和低碳鋼的主要區(qū)別是其成分的不同，因而切割機(jī)理也有所不同。不銹鋼含有10％～20％的鉻，由于鉻的存在，傾向于破壞氧化過程。切割時不銹鋼中的鐵和鉻均與氧發(fā)生放熱反應(yīng)，其中鉻的氧化物有阻止氧氣進(jìn)入熔化材料內(nèi)部的特性，而使進(jìn)入熔化層的氧氣量減少，熔化層氧化不完全，反應(yīng)減少，使切割速度降低，如圖38所示。與低碳鋼相比，不銹鋼切割需要的激光功率和氧氣都較高，而且，不銹鋼切割雖可達(dá)到較滿意的切割效果，但卻很難獲得完全無粘渣的切縫。
利用惰性氣體作為輔助氣體切割不銹鋼可獲得無氧化切邊，直接用來焊接，但其切割速度與氧作輔助氣體相比要損失50％左右。
影響不銹鋼切割質(zhì)量的最重要參量是切割速度、激光功率、氧氣壓力和焦長。圖38和圖39分別表示激光功率、切割和氧氣壓力對2mm厚304不銹鋼切割質(zhì)量的影響。
6.1.3 鋁合金
由于鋁合金對波長為10.6μm的CO2激光高的反射率和熱導(dǎo)率，因此鋁合金的起切十分困難，其激光切割需要比鋼更高的激光能量密度來克服閾值，形成初始空洞開始切割過程，一旦這種汽化空洞形成，它就像鋼一樣對激光有極大的吸收率。為了改善鋁表面的吸收，可打磨其起始切割表面使之變粗糙、涂吸光材料等，也可從預(yù)先鉆孔處或邊緣起切。鋁合金切割時也用輔助氣體，主要用來從切割區(qū)吹掉熔融產(chǎn)物。它并不需要靠它來發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)取得附加熱量，屬于熔化切割機(jī)制，通?？色@得較好的切割質(zhì)量。有時熔渣也會沿著切邊黏附在切縫背面，但這種黏附很易去除。
對鋁合金激光切割的研究表明，每一材料厚度都存在一個臨界焦長。當(dāng)實(shí)際焦長小于這個值時，切割將不能進(jìn)行。同時，也存在一個最佳焦長值，當(dāng)實(shí)際焦長與它相同時，可獲得最大切割速度。
與切割低碳鋼相比，在同樣的激光功率下，鋁合金的切割速度和可切板厚較低，如圖40所示。
6.1.4 鈦及合金
根據(jù)國內(nèi)已有的切割經(jīng)驗(yàn)，由于鈦與氧化學(xué)反應(yīng)激烈，切割過程噴氧易引起過燒，故宜采用噴壓縮空氣，以保證鈦切割質(zhì)量。激光切割Ti-6Al-4V鈦合金構(gòu)件，切割速度快，切邊不需要拋光，底部切邊有少許粘渣，也很容易清除。圖41表示Ti-6Al-4V鈦合金切割速度與板厚及功率的關(guān)系，用CO2激光切割鈦合金的典型切割速度如表4。
表4 CO2激光切割鈦合金的典型切割速度
板厚/mm
激光功率/W
切割氣體
切割速度/m. s-1
1.6
2.2
2.2
6.4
6.4
2.5
500
500
500
500
1000
1000
氬氣
氬氣
氧氣
氧氣
氧氣
氧氣
0.025
0.025
0.033
0.017
0.033
0.10
6.1.5 銅合金與鎳基合金
銅與鋁相似，對CO2激光上仍高反射率并具有高的熱導(dǎo)率，純銅由于具有很高的反射率，用CO2激光切割的速度很慢。黃銅（銅合金）切割時要采用較高的激光功率，輔助氣體采用空氣或氧。采用CO2激光吹氧切割的典型的切割速度見表5。采用高重復(fù)頻率增強(qiáng)脈沖CO2激光能較好切割銅合金。
表5 CO2激光吹氧切割銅合金的典型切割速度
切割氣體
板厚/mm
激光功率/W
切割速度/m. s-1
純銅
純銅
純銅
黃銅
黃銅
黃銅
1
2
1
1
2
1
1500
1500
1000
1500
1500
1000
0.025
0.008
0.017
0.005
0.025
0.033
對鎳基合金也可以進(jìn)行激光切割，隨合金成分的不同，切割速度大約為切割同等厚度不銹鋼的切割速度的0.5～1.0倍。
6.2 非金屬材料的激光切割
非金屬材料是10.6μm波長CO2激光束的良好吸收體，由于其熱導(dǎo)率小，熱量的傳導(dǎo)損失很小，幾乎能吸收全部入射光束能量，并很快使材料蒸發(fā)，在光斑照射處形成起始孔洞，進(jìn)入切割過程的良性循環(huán)。
6.2.1 有機(jī)材料
（1）木材切割
激光切割木材有兩種不同的基本機(jī)制：瞬間蒸發(fā)和燃燒，激光切割木材取決于切割時功率密度值大小。瞬間蒸發(fā)是木材切割較理想的切割機(jī)制，木材在聚焦激光束照射下蒸發(fā)除去，形成切縫。在此過程中，材料切割速度快，熱量傳輸不到未切割基材，剖面無炭化，僅有輕微發(fā)暗和釉化。而切割的燃燒機(jī)制源自光束功率密度不足，是一種不理想的切割過程，其表現(xiàn)為切割速度慢。單位材料切割所費(fèi)的能量要比蒸發(fā)機(jī)制增加2～4倍，并且切邊有炭化。實(shí)際的木材切割過程，差不多在蒸發(fā)的同時都伴有燃燒過程發(fā)生，這是因?yàn)檎舭l(fā)機(jī)制雖具有高效能的優(yōu)點(diǎn)，但需要高的激光功率密度。而實(shí)際的激光照射過程，由于受激光輸出功率或光束模式的影響，在材料光照表面總有部分區(qū)域的光束功率密度低于蒸發(fā)所需的功率密度值。木材切割也需要有與光束同軸的輔助氣流，一般為壓縮空氣。
激光切割木材的切面質(zhì)量比常規(guī)方法好，切面質(zhì)量上的粗糙、撕裂或絨毛木紋現(xiàn)象并不明顯，只是切面有一薄炭化層。層壓模切板用激光切割縫口是連續(xù)CO2激光切割工業(yè)應(yīng)用的成功例子。家具業(yè)用1.7kW功率激光切割厚達(dá)38mm木板的速度可達(dá)1.0m/min，且沒有割邊，節(jié)省了大量材料。另外，還可利用激光束進(jìn)行木材雕刻。
（2）塑料切割
利用激光的高能量密度汽化膠合劑，迅速破壞聚合材料的聚合鏈，從而實(shí)現(xiàn)對塑料的激光切割。低熔熱塑料切割只要控制工藝，就可獲得無毛剌的底邊，切縫光滑、平整。對高強(qiáng)度塑料，由于需要較高的單位光能強(qiáng)度以破壞其連接強(qiáng)鏈，切割中經(jīng)常會有燃燒發(fā)生，使切邊產(chǎn)生不同程度的炭化。切割像聚氯乙烯一類材料應(yīng)注意防護(hù)切割過程中燃燒產(chǎn)生的有害氣體。
新的輕質(zhì)纖維增強(qiáng)塑料用通常的切割工具很難加工，可在層疊固化前用激光切割薄片（厚度約0.5mm左右）。但對固化后的厚斷面工件，特別像硼和碳纖維一類材料，由于切邊易引起炭化、分層和熱損傷，激光切割也較困難。
6.2.2 無機(jī)材料
（1）石英切割
石英線膨脹系數(shù)較低，對激光切割適應(yīng)性好。雖然切縫附近有個淺熱影響區(qū)，但切邊質(zhì)量好，無裂紋，切面光滑，不需再進(jìn)行輔助清理，切割厚度可達(dá)10mm，切割速度比鋸切加工高兩個數(shù)量級，且工件不承受任何沖擊力。在鹵素?zé)糁圃鞓I(yè)已用激光切割代替金剛石鋸切，切割時沒有塵埃，切邊封接性好。切縫窄，如激光切割外徑8～13mm的石英管，切縫寬僅0.5mm，而機(jī)械切縫達(dá)1.5mm，從而可節(jié)省材料。
（2）陶瓷切割
導(dǎo)熱性差和幾乎沒有塑性的陶瓷材料，一般的冷、熱加工都很困難。激光切割陶瓷與氧助切割金屬材料的機(jī)制迥然不同，它屬于可控導(dǎo)向斷裂。當(dāng)激光束順著預(yù)定的切割方向加熱時，在光點(diǎn)周圍很小區(qū)域引起定向的加熱梯度和隨之生成的高機(jī)械應(yīng)力。這種高應(yīng)力使陶瓷這類脆性材料形成小裂縫。只要工藝參數(shù)選擇并控制恰當(dāng)，裂縫將嚴(yán)格沿著光束移動方向不斷形成，從而把材料切斷。如微電子裝置用的剛玉材料，用250W功率的激光束就能精確地在指定部位切出要求尺寸，切割后無質(zhì)點(diǎn)撕裂，也不需要后續(xù)處理。
圖42表示切割1mm厚的Al2O3陶瓷片時激光工藝參數(shù)關(guān)系。陶瓷切割采用較小激光輸出功率進(jìn)行。在不同功率控制下，切割速度可在較寬范圍選擇。試驗(yàn)表明，在連續(xù)CO2激光束條件下，切勿采用高功率，否則，將導(dǎo)致材料無規(guī)則龜裂而使切割失敗。
用于渦輪發(fā)動機(jī)上的硬脆陶瓷（如氮化硅），其激光切割速度要比砂輪切割高10倍，它既無刀具損耗，且可切出任何形狀。
（3）有機(jī)玻璃切割
透明有機(jī)玻璃由純聚甲基丙烯酸制成，在激光切割時，汽化為甲基丙烯酸甲脂。如果吸走汽化物的空氣流的壓力足夠低（10kPa）則切口可以很清澈。如果氣流壓力較高，將在熔融材料中形成渦流，使熔融材料固化在切口上。在這種情況下，沿著切口上部1mm左右可以看到白色不透明的帶。采用大直徑噴嘴（2mm）容易得到低速氣流，但空氣壓力過低將導(dǎo)致甲基丙烯酸著火燃燒，在切割區(qū)由此火焰產(chǎn)生的熱量將燒壞工件甚至使工件燃燒起來。圖43為用500WCO2激光切割時的切割速度和厚度的關(guān)系，可以看出，激光切割有機(jī)玻璃的速度很高。切割不透明有機(jī)玻璃時，切割速度可能下降20％，因?yàn)樗鼈兪蔷奂谆峒柞ズ吞盍系膹?fù)合物。填料通常為有機(jī)物，切割中以塵埃的形式排出。某些白色有機(jī)玻璃填料含量最高，從而提高了切割溫度，以致有可能將切口炭化。由于聚合物分解和氣泡在切口上滯留，激光切割降低了有機(jī)玻璃的抗拉強(qiáng)度。若要承受載荷和撓曲，則必須去除切口痕跡。但大多數(shù)激光切割的有機(jī)玻璃都用作顯示牌，沒有強(qiáng)度要求，在這方面激光切割取得了很大的成功。
6.3 復(fù)合材料的切割
復(fù)合材料有不同類型，即有不同的組合。對性質(zhì)相同的兩種或多種材料組合，一般激光切割并不困難。對兩種切割性能完全不全的材料組合，總的原則是先切割具有較好切割性能的材料的那一面，這樣比較容易獲得好的切割質(zhì)量。當(dāng)然，如果把兩種切割性能截然不同的材料，其中甚至包括不能切割的材料組合在一起，就會是另一種切割結(jié)果。用激光切割電纜外包絕緣體就是一個典型的應(yīng)用實(shí)例，在電線電纜工業(yè)中，為了連接電纜或從廢電線上回收纜心，需要除去電纜外包塑料層。利用銅心對激光高的反射率和它本身的高熱導(dǎo)率，在激光束照射下，銅纜的外包絕緣層可很方便地切去，而銅心本身因不能被切割而保存下來。
7 激光切割安全
激光具有很高的能量密度和功率，激光裝置中存在數(shù)萬伏的高壓，因此激光切割時必須注意安全，避免發(fā)生各種人身傷害事故。
7.1 激光對人體的危害
（1）對人體眼睛的傷害
激光照射在人體眼睛上，由于激光強(qiáng)烈的加熱作用，會造成視網(wǎng)膜損傷，嚴(yán)重會導(dǎo)致人眼致盲。激光的反射具有同樣的危險性，尤其在加工反射率較高的材料時，強(qiáng)反射光對眼睛的危害與直射光相近，另外，溫反射光會使眼睛受慢性傷害，引起視力下降。
（2）對皮膚的傷害
人體皮膚受聚焦激光的直接照射，會使皮膚割裂、灼傷，且傷口很難愈合。受紫外光、紅外光的長時間照射，會引起皮膚老化，導(dǎo)致炎癥和皮膚癌等。
（3）有害氣體
激光加工某些材料時，這些材料因受高強(qiáng)激光強(qiáng)烈照射而蒸發(fā)，產(chǎn)生各種有毒的煙塵，在切割面附近形成的等離子體會產(chǎn)生臭氧，這些都會對人體有一定的危害。另外，某些可燃的非金屬材料和金屬材料（如鎂合金等），在加工過程中受到激光照射時間的稍長時會發(fā)生燃燒，引起火災(zāi)。
7.2 激光切割的安全防護(hù)
為了防止各種傷害事故發(fā)生，必須做好激光切割的安全防護(hù)措施。
（1）激光切割設(shè)備的安全防護(hù)
激光器設(shè)備可靠接地，維修門應(yīng)有連鎖裝置，電容器組有放電措施。在激光加工設(shè)備上應(yīng)設(shè)有明顯得危險警告標(biāo)志和信號燈。由于CO2激光人眼看不見，激光的光路系統(tǒng)應(yīng)盡可能全部封閉，且設(shè)置于較高的位置，特別是外光路系統(tǒng)應(yīng)用金屬管封閉傳遞，以防止對人體的直接照射。激光加工工作臺應(yīng)采用玻璃等防護(hù)裝置，以防止反射光，激光加工場地設(shè)有柵欄、隔墻和屏風(fēng)等，防止無關(guān)人員進(jìn)入加工區(qū)。
（2）對人身的保護(hù)
現(xiàn)場工作人員必須佩戴對激光不透明的防護(hù)眼鏡，其濾光鏡要根據(jù)不同的激光波長選用。對于波長為10.6μm的CO2激光，可佩戴側(cè)面有防護(hù)的普通眼鏡或太陽鏡。激光加工區(qū)工作人員應(yīng)盡量穿白色的工作服，以減少激光溫反射的影響。激光加工區(qū)應(yīng)設(shè)置有通風(fēng)或排風(fēng)裝置，做到室內(nèi)空氣流暢。操作人員必須經(jīng)過崗前培訓(xùn)，以了解激光器的各項(xiàng)性能。操作要領(lǐng)和安全知識。
（3）其他防護(hù)措施
在激光加工區(qū)域不要存放易爆、易燃物品，如激光氧助切割時使用的氧氣瓶等，應(yīng)隔離放置在另外室內(nèi)。激光加工室應(yīng)放置滅火器材，防止在切割過程中火災(zāi)發(fā)生時的緊急處理，在切割過程中要及時清理易燃的切割渣等。
8 激光切割技術(shù)的發(fā)展
激光切割是激光加工行業(yè)中最重要的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)，由于具有諸多特點(diǎn)，已廣泛地應(yīng)用于汽車、機(jī)車車輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等工業(yè)部門。近年來，激光切割技術(shù)發(fā)展很快，國際上每年都以20％～30％的速度增長。我國自1985年以來，更以每年25％以上的速度增長。由于我國激光工業(yè)基礎(chǔ)較差，激光加工技術(shù)的應(yīng)用尚不普遍，激光加工整體水平與先進(jìn)國家相比仍有較大差距。相信隨著激光加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些障礙和不足會逐步得到解決。激光切割技術(shù)必將成為21世紀(jì)不可缺少的重要的鈑金加工手段。激光切割加工廣闊的應(yīng)用市場，加上現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得國內(nèi)外科技工作者對激光切割加工技術(shù)進(jìn)行不斷深入的研究，推動著激光切割技術(shù)不斷地向前發(fā)展。
① 伴隨著激光器向大功率發(fā)展以及采用高性能的CNC及伺服系統(tǒng)，使用高功率的激光切割可獲得高的加工速度，同時減小熱影響區(qū)和熱畸變；所能夠切割的材料板厚也將進(jìn)一步地提高。高功率激光可以通過使用Q開關(guān)或加載脈沖波，從而使低功率激光器產(chǎn)生出高功率激光。
② 根據(jù)激光切割工藝參數(shù)的影響情況，改進(jìn)加工工藝，如：增加輔助氣體對切割熔渣的吹力；加入造渣劑提高熔體的流動性；增加輔助能源，并改善能量之間的耦合；以及改用吸收率更高的激光（YAG激光或CO2激光等）切割。
③ 激光切割將向高度自動化、智能化方向發(fā)展。將CAD/CAPP/CAM以及人工智能運(yùn)用于激光切割，研制出高度自動化的多功能激光加工系統(tǒng)。
④ 根據(jù)加工速度自適應(yīng)地控制激光功率和激光模式或建立工藝數(shù)據(jù)庫和專家自適應(yīng)控制系統(tǒng)使得激光切割整機(jī)性能普遍提高。以數(shù)據(jù)庫為系統(tǒng)核心，面向通用化的CAPP開發(fā)工具，對激光切割工藝設(shè)計所涉及的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立相適應(yīng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。
⑤ 向多功能的激光加工中心發(fā)展，將激光切割、激光焊接以及熱處理等各道工序后的質(zhì)量反饋集成在一起，充分發(fā)揮激光加工的整體優(yōu)勢。
⑥ 隨著Internet和WEB技術(shù)的發(fā)展，建立基于WEB的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，采用模糊推理機(jī)制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來自動確定激光切割工藝參數(shù)，并且能夠遠(yuǎn)程異地地訪問和控制激光切割過程成了不可避免的趨勢。
⑦ 三維高精度大型數(shù)控激光切割機(jī)及其切割工藝技術(shù)，為了滿足汽車和航空等工業(yè)的立體工件切割的需要，三維激光切割機(jī)正向高效率、高精度、多功能和高適應(yīng)性方向發(fā)展，激光切割機(jī)器人的應(yīng)用范圍將會愈來愈大。激光切割正向著激光切割單元FMC、無人化和自動化方向發(fā)展。
