激光切割：从第一原则到现有技术

抽象

  本文概述了激光切割的主题。涵盖的主题包括;激光材料相互作用，不同激光类型，激光切割的技术和商业增长以及现有技术。

第一原则

  大多数激光切割使用CO2或Nd：YAG激光器进行。两种类型的激光切割的一般原理是相似的，尽管二氧化碳激光器由于原因主导市场，这将在本文后面讨论。

  激光切割的基本机制非常简单，可归纳如下：

  1.激光产生高强度红外光束。

  2.该光束通过透镜聚焦在工件表面上。

  3.聚焦光束加热材料并在整个片材深度上建立非常局部化的熔体（通常小于0.5mm直径）。

4.熔融材料通过与激光束同轴作用的加压气体射流从该区域喷出，如图1所示。（对于某些材料，这种气体射流可以通过化学和物理工作加速切割过程。例如，碳钢或低碳钢通常在纯氧气流中切割。激光加热引发的氧化过程会产生热量，这极大地提高了工艺效率。）

  5.这种局部的材料去除区域在片材表面上移动，从而产生切割。通过操纵聚焦激光光斑（通过CNC反射镜）或通过在CNC X-Y工作台上机械移动片材来实现移动。 “混合”系统也可用，材料在一个轴上移动，激光点在另一个轴上移动。完全机器人系统可用于分析三维形状。 Nd：YAG激光器可以使用光纤而不是镜子，但是这种选择不适用于更长波长的CO2激光器。

  图1.激光切割示意图。镜头支架或喷嘴（或两者）可以从左到右调整或进出草图平面。这允许聚焦光束与喷嘴一起集中。喷嘴和镜头之间的垂直距离也可以调节。

  在继续更详细地描述切割过程之前，现在是总结激光切割的好处的好时机。

  答：与其他分析方法相比，该过程高速切割。例如，1500W CO2激光器将以7.5mmin-1切割2mm厚的低碳钢。同一台机器将在~12mmin-1下切割5mm厚的丙烯酸板。

  B.在大多数情况下（例如上面给出的两个例子），切割后的部件将在切割后立即投入使用，无需任何后续的清洁操作。

  C.切割宽度（切口宽度）非常窄（通常为0.1至1.0mm）。可以在不受铣床和类似机械方法施加的最小内半径限制的情况下进行非常详细的工作。

  D.该过程可以完全由CNC控制。这与复杂的跳汰装置的必要性相结合意味着，可以在几秒钟内完成从钢中切割组分“A”到切割组分“B”的工作变化。 （注意Nd：YAG激光器不能切割大多数塑料，因为它们对Nd：YAG激光是透明的）。

  E.虽然激光切割是一种热处理过程，但激光加热的实际区域非常小，切割过程中大部分加热材料都被去除了。因此，对大部分材料的热输入非常低，热影响区域被最小化并且通常避免热变形。

F.这是一种非接触式工艺，这意味着材料只需轻轻夹紧或仅位于梁下。柔性或脆弱的材料可以非常精确地切割，并且在切割过程中不会像通过机械方法切割时那样变形。

  G.由于该工艺的CNC性质，在被切割的板材上，板条宽度的狭窄和机械力的缺乏，可以将部件布置成非常靠近地“嵌套”。因此，材料浪费可以减少到最低限度。在某些情况下，可以延长该原理，直到相邻部件的相似边缘之间根本没有废料。

  H.虽然激光切割机的资金成本很高，但运行成本通常很低。许多工业案例存在大型装置在一年内收回成本的情况。

  I.与竞争技术相比，该过程非常安静，这是改善工作环境和效率或操作人员的一个因素。

J.与许多机械配件相比，激光切割机使用起来非常安全。

  CO2和Nd：YAG激光切割的比较。

  CO2和Nd：YAG激光器都能产生高强度的红外光束，可以聚焦并用于切割。

  与CO2激光器相比，更少的Nd：YAG激光器作为切割机出售。这是因为对于一般的切割应用，CO2激光器是最有效的。 Nd：YAG激光器仅是首选：

  A.如果薄截面材料需要非常精细的细节工作。

  B.如果要定期切割高反射性材料，如铜或银合金，

要么

  C.如果要使用光纤将激光束传输到工件上。

  尽管CO2和Nd：YAG激光器都产生红外光，但CO2激光的波长是Nd：YAG激光器的10倍（分别为10.6微米和1.06微米）。由于Nd：YAG激光的波长较短，因此与CO2激光相比具有三大优势：

  1. Nd：YAG激光可以聚焦到比CO2激光更小的点*。这意味着可以实现更精细，更详细的工作（例如，观赏时钟指针）。

  2. Nd：YAG激光不易被金属表面反射。因此，Nd：YAG激光器适用于高反射金属，如银。

  3. Nd：YAG光可以穿过玻璃（CO2光不能）。这意味着可以使用高质量的玻璃镜头将光束聚焦到最小光斑尺寸*。而且，石英光纤可用于将光束相对长距离地传送到工件上。这导致Nd：YAG激光器在汽车生产线上的广泛使用，其中线路上的可用空间非常宝贵。

  *注意：如果使用光纤，如果平均功率高于100瓦，Nd：YAG激光聚焦到非常小的点的能力可能会丢失。在穿过光纤之后的聚焦光斑尺寸可以大于CO 2激光光斑。

  较短波长的Nd：YAG激光也有一个主要缺点：

  1大多数有机材料（例如塑料，木基产品，皮革，天然橡胶等）对Nd：YAG激光是透明的。因此，它们不能被Nd：YAG激光切割。如果激光功率较低或聚焦光斑尺寸较大，则光线会穿过材料而不会加热到足以切割它。如果增加激光束的强度，通过增加功率或减小光斑尺寸，材料最终会发生局部爆炸，可能产生撕裂或孔洞。

无机非金属（例如陶瓷，玻璃，碳等）的情况相当复杂。 CO2激光器可用于切割大部分这些材料，但Nd：YAG机器可能会遇到材料透明性问题（例如玻璃和石英）。这两种激光器的一个成功案例是为电子工业分析陶瓷基板。在某些情况下，用于着色或硬化塑料的无机填料可使其适用于Nd：YAG切割。然而，通常，聚合物的切割仅通过CO 2激光进行。

  总之，Nd：YAG激光器可用于切割精细细节，或者它们可与光纤一起使用，在这种情况下，不可能有细节（除了以较低功率切割箔片或薄面罩时）。它们特别适合切割高反射率合金，但不能切割许多非金属。

  另一方面，CO2激光器通常是更便宜的生产途径，因此有利于一般工程目的。二氧化碳激光器还具有以下优点：它们可以切割从金属到聚合物和木材的更广泛的材料。

切割机制

  切割机构可以通过下面描述的各种不同机制来激光切割材料。每个切割机构的子标题包括提到切割的材料组和涉及哪些激光器。

  熔体剪切或熔融切割（大多数金属和热塑性塑料 - CO2和Nd：YAG激光）

  图2熔化1.大多数有机材料

  图2是熔融剪切或熔融切割过程的示意图。 （也称为“惰性气体切割”）。 [1]在这种情况下，聚焦的激光束熔化工件，并且通过切割气体射流的机械作用从切割的底部喷射熔体。以这种方式切割的材料包括大部分可以熔化的材料，即金属和热塑性塑料。要成功激光切割这些材料，我们需要仔细选择切割气体类型和压力。

  根据被切割材料的反应性质选择切割气体类型，即

  熔融热塑性塑料不与氮气或氧气发生化学反应，因此压缩空气可用作切割气体。

  熔融不锈钢与氧气反应但不与氮气反应，因此在这种情况下使用氮气。

  熔融钛与氧气或氮气反应，因此氩气（化学惰性）用作切割气体。

所用气体的压力也取决于被切割的材料，即从切割区域（当切割例如尼龙时）去除熔融聚合物不需要高压气体喷射，因此切割头的供应压力可以是2-6巴的范围。另一方面，熔融不锈钢需要相当大的机械推力以将其从切割区域移除，因此所使用的供应压力将在8-14巴的范围内（所需压力随着钢的厚度而增加）。

  化学降解切割（热固性聚合物和木制品 - CO2激光）

  热固性塑料和木制品不会被熔融剪切机构切割，原因很简单，因为它们不能熔化。在这种情况下，激光灼烧工件，将塑料或木材减少为由碳和原始材料的其他成分组成的烟雾。

  该过程被称为通过化学降解进行切割。由于该过程比简单熔化需要更多的能量，热固性材料的切割速度和最大厚度低于热塑性塑料，这种材料的切割边缘通常是平坦的，光滑的并且覆盖有薄的碳层。

  蒸发切割（丙烯酸和聚缩醛 - CO2激光）

  对于金属而言，通过蒸发进行激光切割的想法并不具有吸引力，因为蒸发比熔融剪切切割所需的简单熔化消耗更多的能量。然而，对于某些聚合物，确实发生蒸发切割，因为材料的熔点和沸点非常接近。以这种方式切割的最常见的材料是聚甲基丙烯酸甲酯，其更为人所知的是丙烯酸或其商品名;有机玻璃，有机玻璃等

  这种材料广泛用于标志和显示工作，幸运的是，由于它在激光切割过程中能够沸腾，因此可以生产出光滑的抛光切边。

  划线（陶瓷 - CO2或Nd：YAG激光）

  划线是一种可以在电子工业的脆性薄截面陶瓷（例如AL2O3）上实现非常快的切削速度的工艺。激光器以其脉冲模式使用，以蒸发穿过材料片表面的一系列浅孔。随后材料沿着这些弱点折断。由于显而易见的原因，该过程仅适用于生产直线。

  氧化切削（低碳钢和碳钢 - CO2或Nd：YAG激光）

  可以使用氮气通过熔融​​剪切工艺切割低碳钢和碳钢，但更常见的是使用氧气作为切割气体进行切割。氧气与切割区域中的铁发生化学反应，这对切割过程有两个好处：

  1.反应产生热量，加速切割过程，从而提高切割速度并增加可切割的最大厚度。

2.该反应产生氧化熔体，其具有低粘度并且不能很好地粘附在切口两侧的实心钢上。这意味着液体很容易从切割区吹出，并且没有残留的熔体（渣滓）附着在切口的下边缘。

  化学反应也有两个缺点：

  1.就以下工艺参数而言，该过程的灵敏度增加;

  激光束必须精确地以切割头喷嘴上的孔为中心（参见图1）。

  激光束必须具有轴对称的能量分布。

  2.化学反应在切割边缘留下薄的（~100英寸）氧化铁皮。该氧化物层易碎并且不能牢固地附着在下面的钢上。这通常不是问题，但是在涂上一部分后，它可以在服务中剥落，并用它涂上油漆。因此，一些客户坚持使用氮气切割低碳钢部件。

案例分析

  选择单个组件然后证明为什么激光切割是首选的生产方法是误导性的。为了给出更宽的图像，让我们考虑一种类型的部件，即具有十个孔，三个槽和一些边缘细节的扁平的近似矩形的板。我们假设整体尺寸为200mm x 300mm。

  制造路线将由许多因素决定：

  材料类型和厚度，所需组件数量，所需精度，所需边缘质量，孔/槽尺寸等

决定将取决于与生产适当质量部件相关的成本，然后选择最便宜的方法。在许多情况下，激光切割将是最便宜的路线，但有趣的是提供一些不同的产品示例，以证明何时可以选择替代方法：

  1.材料 - 除下列条件外，选用3mm厚的钢CO2激光切割。

  如果我们需要超过100000个组件。对于大批量生产，与固定工具冲压相关的初始成本可能是合理的。

  如果整个轮廓不涉及复杂的轮廓并且仅需要一个或两个零件，则等离子或火焰切割然后加工可能是竞争者。

  如果孔或槽的尺寸公差必须比商用CO2激光切割的典型值±0.1mm好得多。在这种情况下，Nd：YAG激光切割，CNC冲孔或放电加工可能是优选的

  2.材料 - 15mm厚金属：

  在这种情况下，如果所讨论的金属是钢，则通常选择CO 2激光切割作为最便宜的选择。然而，商业激光切割不能用于在该厚度下成形铝或铜合金，并且通常的替代方案是磨料水射流切割。

  3.材料 - 5毫米钛：

  如果沿切割边缘产生的热影响区对成品不重要，则在这种情况下将采用CO2激光切割。

  在疲劳寿命关键应用中，热影响区域将是有问题的，因此可以使用机械加工，磨料水射流或放电加工。

  4.材料 - 10mm聚合物：

  在这种情况下，除非所涉及的部件数量合理地使用注塑技术，否则将采用CO2激光切割。

最先进的艺术

  激光切割等多种主题的现有技术不是单一主题。专用于单个应用的机器的性能可能与更通用的作业车间类型的安装的性能非常不同。

  出于这个原因，最好在许多标题下讨论现有技术：

  工作车间激光切割

  自从20世纪70年代早期激光切割作为工业过程开始以来，机器制造商已经稳定地增加了所涉及的激光器的功率。用于切割的功率一直落后于可用的最大功率，因为​​激光切割需要高质量的光束，这可以聚焦到具有轴对称能量密度的小光斑（如果光束要切割得同样好，这种对称性是必要的。八方）。

现代（2004）切割机通常采用3.5kW至5.5kW的功率，能够实现非常高的生产率。从加工车间的角度来看，两个重要的参数是可切削的特定材料的最大厚度和可用的切削速度。表1给出了近似的最大厚度，可以通过CO2激光器在4和5kW下切割。

  表1. CO2激光器材料的近似最大厚度。

  削减速度

  切割速度的主题是开放的大量解释和敏锐的销售人们在过去三十年发表了许多误导性的信息。近年来，机器制造商已经实现了两个重点;

  1.重要的不仅是线性最大切割速度;它是组件的循环时间。

  2.通常最好调低多千瓦机器的功率以切割更薄的截面材料。 （因此，您的4 kW机器可自动将功率降至2kW，以切割2mm厚的低碳钢）。

  为了最大限度地提高产量，机床制造商最近专注于机器加速和切割间移动速度。这些领域和相关主题（例如穿孔时间和头部缩回率）的改进使得激光切割速度在复杂计算中仅是估计部件循环时间的一小部分。如今，比较两台机器性能的唯一准确方法是对实际部件进行试验。但是，表2列出了一些典型的切割速度。

  表2.在约5kW的功率下，长度为几百毫米的直线的典型激光切割速度。 （由Bystronic和Trumpf给出的平均数据）

  专业应用

  如果不了解一些专业应用，就不可能完成对现有技术的概述。两个这样的应用是在德国亚琛的弗劳恩霍夫研究所（Fraunhofer Institute f！r Lasertechnik）开发的高速纵切和厚截面切割的开发。通过仔细控制工艺参数，亚琛团队切割出厚度超过40毫米的不锈钢。用于薄型钢的激光分切机的开发更加有趣，因为它涉及切割中不寻常的激光材料相互作用区。前面提到过，切割金属时通常要避免蒸发，因为它消耗了大量的能量。然而，当以高速切割薄切片时，蒸发过程可通过在切割区域中施加有助于喷射熔体的局部压力来辅助切割过程。通过采用亚琛团队的这一原则，对于厚度为0.23mm的钢板，切削速度超过145m / min [2]。

最近的一个进步领域，在过去的两三年中变得非常流行，是激光管切割机的发展。现在可以使用机器加工几乎任何横截面的管子，直径可达几百毫米。这种机器的出现鼓励了对设计的新态度。例如，不是从三个部件制造两个支撑腿和一个横向件，而是可以从一段管中激光切割出整个组件，并在焊接之前简单地弯曲成形状 - 见图3。

  图3.用于弯曲弯曲生产的特殊设计轮廓

  此外，木工榫槽型接头可用于辅助最终焊接装配或制造，见图4。

  图4.激光切割设计可涉及使用木工型榫槽接头。 （样本由BLM提供：Adige）

  最近感兴趣的另一个领域是激光的增长微加工。这个应用领域正在成为现实在电子和生物医学领域越来越受欢迎领域。所涉及的激光通常需要更小聚焦斑点比使用红外二氧化碳和标准Nd：YAG激光器。出于这个原因，激光器产生可见光或紫外光并使用切割过程是蒸发或消融之一比图3的分析类型。

结论

  从20世纪70年代初开始，激光切割就已经开始了不断扩大以填补不断增长的市场分享。该过程的成本效益显而易见在其广泛的应用范围内显而易见。很清楚软件和硬件的逐步改进将确保该过程的持续成功。

致谢

  作者要感谢激光切割机器制造商Bystronic，Trumpf和BLM：Adige帮助他们制作这篇论文。还要感谢Laura Adams准备这份文件。