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激光切割技术及发展
2014-08-23
在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙炔火焰切割；对于薄板采用剪床下料，成形复杂零件大批量的采用冲压，单件的采用振动剪。七十年代后，为了改善和提高火焰切割的切口质量，又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期，又发展了数控步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点，在工业生产中有一定的适用范围。从二十世纪七十年代以来随着CO2激光器及数控技术的不断完善和发展，目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。
1、 激光切割的原理 在激光束能量作用下（氧助切割机制下，还要加上喷氧气与到达燃点的金属发生放热反应放出的热量），材料表面被迅速加热到几千乃至上万度（℃）而熔化或气化，随着气化物逸出和熔融物体被辅助高压气体（氧气或氮气等惰性气体）吹走，切缝便产生了。脉冲 激光适用于金属材料, 连续激光适用于非金属材料,后者是激光切割技术的重要应用领域。与计算机控制的自动设备结合,激光束具有无限的仿形切割能力,切割轨迹修改方便通过预先在计算机内设计, 进行众多复杂零件整张板排料,可实现多零件同时切割, 节省材料 。 激光切割主要是CO2激光切割, 激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化, 同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料, 并使CO2激光束与材料沿一定轨迹作相对运动, 从而形成一定形状的切缝。
激光切割设备除具有一般机床所需有的支承构件、运动部件以及相应的运动控制装置外，主要还应备有激光加工系统，它是由激光器、聚焦系统和电气系统三部分组成的。其它有多腔吸尘系统、外光束传输件、冷却器、和计算机编程硬件和软件等辅助系统组成。
2 激光切割的优缺点
2.1 激光切割技术比其他方法的明显优点
（ 1）、 切割质量好。切口宽度窄（一般为0.1--0.5mm）、精度高（一般孔中心距误差0.1--0.4mm，轮廓尺寸误差0.1--0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般Ra 为12.5--25μm），切缝一般不需要再加工即可焊接。
（ 2）、 切割速度快。例如采用2KW 激光功率，8mm 厚的碳钢切割速度为1.6m/min；2mm 厚的不锈钢切割速度为3.5m/min，热影响区小，变形极小。
（ 3） 清洁、安全、无污染。大大改善了操作人员的工作环境。当然就精度和切口表面粗糙度而言，CO2激光切割不可能超过电加工；就切割厚度而言难以达到火焰和等离子切割的水平。但是就以上显著的优点足以证明：CO2激光切割已经和正在取代一部分传统的切割工艺方法，特别是各种非金属材料的切割。它是发展迅速，应用日益广泛的一种先进加工方法。
（ 4） 非接触式切割。激光切割时割炬与工件无接触，不存在工具的磨损。加工不同形状的零件，不需要更换“刀具”，只需改变激光器的输出参数。激光切割过程噪声低，振动小，无污染。
（ 5） 切割材料的种类多。与氧乙炔切割和等离子切割比较，激光切割材料的种类多，包括金属、非金属、金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维等。但是对于不同的材料，由于自身的热物理性能及对激光的吸收率不同，表现出不同的激光切割适应性。
2.2 激光切割的缺点 激光切割由于受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，而且随着工件厚度的增加，切割速度明显下降。激光切割设备费用高，一次性投资大。
3 激光切割的分类
3.1 激光气化切割 利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升， 在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸汽。这些蒸汽的喷出速度很大，在蒸汽喷出的同时，在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料（如纸、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。
3.2 激光熔化切割
激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体（Ar、He、N等），依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金等。
3.3 激光氧气切割（氧化熔化切割）
激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割 。 它是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。
3.4 激光划片与控制断裂
激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，引起该区域大的热梯度,在脆性材料中产生局部热应力，导致严重的机械变形,使材料沿小槽断开而形成裂缝。
4 CO2激光切割的工业应用
4.1 激光切割机械的生产厂商
世界第一台CO2激光切割机是二十世纪七十年代的诞生的。三十多年来，由于应用领域的不断扩大，CO2激光切割机不断改进，目前国际国内已有多家企业从事生产各种CO2激光切割机以满足市场的需求，有二维平板切割机、三维空间曲线切割机、管子切割机等。国外知名企业有德国Trumpf 公司、意大利Prima 公司、瑞士Bystronic 公司、日本Amada 公司、MAZAK 公司、NTC 公司、澳大利亚HG Laser Lab 公司等。
目前国内能提供平板切割机的企业有上海团结普瑞玛公司、沈阳普瑞玛公司、济南捷迈公司、武汉楚天公司等。根据美国激光工业应用权威杂志“Industrial Laser Solution”2000 年度报告统计：1999 年全世界共销售的激光切割系统（主要是CO2激光切割系统）为3325 台，共11.74 亿美元。据不完全统计我国目前每年生产CO2激光切割机近100 台，共1.5 亿元人民币。虽然我国激光切割的发展趋势较快，但应用水平与发达国家相比差距较大。
4.2 激光切割系统的销售对象
CO2激光切割系统的购置着主要是两类单位：一类是大中型制造企业，这些企业生产的产品中有大量板材需要下料、切料，并且具有较强的经济和技术实力；另一类单位是加工站（国外称Job Shop），加工站是专门对外承接激光加工业务的，自身无主导产品。它的存在一方面可满足一些中小企业加工的需要；一方面在初期对推广应用激光切割技术起到宣传示范的作用。1999 年美国全国共有激光加工站2700 家，其中51%从事激光切割工作。八十年代我国激光加工站主要从事激光热处理工作，九十年代后，激光切割及攻站逐步增加。在此基础上随着我国大中型企业体制改革的深入和经济实力的增强，越来越多的企业将采用激光切割技术。
从目前国内应用情况分析，激光切割广泛应用于12mm 厚的低碳钢板;6mm 厚的不锈钢板及；20mm厚的非金属材料。对于三维空间曲线的切割，在汽车、航空工业中也开始获得了应用。
4.3 目前适合采用激光切割的产品分类
第一类：从技术经济角度不宜制造模具的金属钣金件，特别是轮廓形状复杂，批量不大，一般厚度;12mm的低碳钢、；6mm 厚的不锈钢，以节省制造模具的成本与周期。已采用的典型产品有：自动电梯结构件、升降电梯面板、机床及粮食机械外罩、各种电气柜、开关柜、纺织机械零件、工程机械结构件、大电机硅钢片等。
第二类：装饰、广告、服务行业用的不锈钢（一般厚度3mm）或非金属材料（一般厚度20mm）的图案、标记、字体等。如艺术照相册的图案，公司、单位、宾馆、商场的标记，车站、码头、公共场所的中英文字体。
第三类：要求均匀切缝的特殊零件。最广泛应用的典型零件是包装印刷行业用的模切版，它要求在20mm厚的木模板上切出缝宽为0.7~0.8mm 的槽，然后在槽中镶嵌刀片。使用时装在模切机上，切下各种已印刷好图形的包装盒。国内近年来应用的一个新领域是石油筛缝管。为了挡住泥沙进入抽油泵，在壁厚为6~9mm的合金钢管上切出0.3mm 宽的均匀切缝，起割穿孔处小孔直径不能0.3mm，切割技术难度大，已有不少单位投入生产。国外除上述应用外，还在不断扩展其应用领域。
5 我国激光产业的现状 我国激光制造技术的应用研究水平和应用规模，与发达国家相比，差距很大。在产业方面，一些中、高档激光产品及其材料、元器件仍然停留在开发阶段，或尚未形成规模，高档、高智能、高自动化的激光产品比较缺乏。不少激光加工应用在我国仍是空白或刚起步，如激光微加工、特种材料加工、激光纳米加工以及飞秒激光加工等。国内工业激光企业的力量从技术、性能、资金、规模等比较弱小；企业的核心技术竞争力不足，“产品结构”趋同，以及缺少一些重大创新有自主知识产权的产品，是目前国内激光产业存在着的一个较为严重的问题。中国加入WTO后，进口激光产品的价格降低，使国产激光产品的市场份额、价格和利润受到严重威胁。由于海外公司的纷纷涌人，人才竞争局面更趋激烈 。
在激光加工应用 推广方面也有不少困难，例如，我国制造业中的很大一部份是组装业，以国内现有的工业基础很难对一些国外引进组装机械中传统工艺进行改造更新、采用诸如激光加工之类的新工艺。激光加工是一门2l世纪发展极快的新制造技术，必将为我国传统工业的技术改造，新兴工业领域以及制造业的现代化提供先进的技术装备。面对日益增长的巨大的激光加工应用市场和国际竞争新格局，中国的激光加工技术急需有一个大的突破，激光加工技术产业化急需有一个大的发展。这种状况给国内从事激光、激光加工技术设备研发、生产的企业带来极好机遇和挑战。
激光由于其众多的优点，越来越受到人们的重视，因此大力发展激光产业，可以极大地带动我国的生产力的进步，尤其是机械加工行业。伴随着我国加入WT O, 中国潜在的巨大市场已向国外敞开, 国外激光厂商纷纷把目光聚焦于中国市场。中国激光产业将经历一个嬗变的过程，我们必须采取切实有效的措施促进本国激光产业的发展。所以我们必须作好以下几个方面的工作: （1）加强核心技术的培育。（2）加大人才的引进。（3）疏通融资渠道。（4）加强区域内同行业的联盟。
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