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）可以从左到右或进出草图平面进行调整。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缺乏必要性相结合，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的比较：

  YAG激光切割。 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，聚焦激光束熔化工件，熔体从切割底部喷出切割气体射流的机械作用。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，我们需要选择切割气体类型和压力仔细。

  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，即从切割区域中切除熔融聚合物（当切割例如尼龙时）不需要高压气体喷射，因此供给压力。切割头可以在2-6巴的范围内。另一方面，熔融不锈钢需要相当大的机械推力才能将其从切割区域移除，因此所用的供应压力将在8-14巴范围内（所需压力随钢的厚度增加而增加。