激光切割的過(guò)程是材料吸收光能并轉(zhuǎn)化為熱能，并使材料熔化、汽化的過(guò)程。
1) 激光器輸出高能量密度的激光束。
2) 光束通過(guò)聚焦鏡，被聚焦，能量高度集中。
3) 聚焦后的光束從噴嘴中心通過(guò)，噴嘴內(nèi)噴出切割輔助氣體，其軸心與光路相同。
4) 在激光束和切割氣體的共同作用下，切割材料迅速加熱、氧化與蒸發(fā)，達(dá)到切割目的。
激光切割的基本原理是激光與物質(zhì)的相互作用，它既包含復(fù)雜的微觀量子過(guò)程，也包含激光作用于各種介質(zhì)材料所發(fā)生的宏觀現(xiàn)象。而這些宏觀現(xiàn)象包括材料對(duì)激光的吸收、反射、折射，能量轉(zhuǎn)換和傳遞，材料狀態(tài)及周圍氣體成份，光束作用于材料表面時(shí)的組織效應(yīng)等。
因此，影響激光切割質(zhì)量的因素十分復(fù)雜，除了加工材料本身之外，主要是光束特性、激光功率、切割速度、噴嘴型式（孔徑）和噴嘴高度、焦點(diǎn)位置、輔助氣體種類和壓力等。
一、光束特性對(duì)切割質(zhì)量的影響
激光切割的切口寬度同光束模式和聚焦后光斑直徑有較大關(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，光斑直徑要求盡可能小。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(shí)與聚焦透鏡的焦距有關(guān)。對(duì)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ƒ、發(fā)散角θ及入射激光束直徑D之間的關(guān)系可按下式進(jìn)行計(jì)算：
由上式，若激光束本身的發(fā)散角較小，光斑的直徑也會(huì)變小，就能獲得好的切割效果。減小透鏡焦距ƒ有利于縮小光斑直徑，但ƒ減小，焦深縮短，對(duì)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(shí)，ƒ減小，透鏡與工件的間距也縮小，切割時(shí)熔渣會(huì)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(zhǎng)小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。它適用于薄板高速切割，只需保證保持透鏡和工件間距恒定。長(zhǎng)焦透鏡的聚焦光斑功率密較低，但其焦深大，可用來(lái)切割厚斷面材料。焦長(zhǎng)短，聚焦光斑小；焦長(zhǎng)長(zhǎng)，聚焦光斑也大，焦深變化也如此。當(dāng)透鏡焦長(zhǎng)增加，使聚焦光斑尺寸增加1倍，即從Y到2Y時(shí)，焦深可隨之增加到4倍，即從X到4X。
聚焦鏡的聚焦作用
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TEM00，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(gè)微米直徑，并形成尖的高能量密度。激光模式示意如圖3-3。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(lái)切割材料如同拿一把鈍刀來(lái)進(jìn)行切割。
光束能量分布模式
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(chǎng)合，采用基模TEM00時(shí)的切割速度比采用TEM01模式時(shí)高出10％，而其產(chǎn)生的粗糙度Rz則要低10μm。在最佳切割參數(shù)時(shí)，切割面的粗糙度Rz只有0.8μm。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TEM00模式的激光。
二、激光功率對(duì)切割質(zhì)量的影響
激光功率的大小直接影響所能切割鋼板的厚度，能量越高，可切割材料厚度就越厚。另外，它又影響著工件尺寸精度、切縫寬度、切割面的粗糙度和熱影響區(qū)的寬度等。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(duì)激光切割過(guò)程起著重要的影響。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。
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。下表給出了各種功率的二氧化碳激光切割某些金屬材料的實(shí)驗(yàn)最大厚度。
激光功率與金屬最大切割厚度
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二氧化碳激光功率/W |
最大切割厚度/mm |
||||
|
碳素鋼 |
不銹鋼 |
鋁合金 |
銅 |
黃銅 |
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1500 |
12 |
9 |
3 |
1 |
2 |
|
1500 |
12 |
- |
6 |
3 |
4 |
|
3000 |
22 |
12 |
- |
5 |
5 |
|
4000 |
25 |
14 |
10 |
5 |
8 |
對(duì)連續(xù)波輸出的激光器來(lái)說(shuō)，激光功率大小和模式都會(huì)對(duì)切割質(zhì)量發(fā)生重要影響。實(shí)際操作時(shí)，常常設(shè)置最大功率，以獲得最快切割速度，提高生產(chǎn)效率，或用以切割較厚的材料。理論上，我們要求激光器輸出功率越大越好，但考慮激光器本身成本問(wèn)題，激光器輸出功率只有盡可能達(dá)切割機(jī)本身的最大值。下圖示出當(dāng)激光功率不足時(shí)，切割低碳鋼板產(chǎn)生的問(wèn)題（未切透a、下部產(chǎn)生大量沾渣b及粗糙的斷面c等）。
激光功率對(duì)低碳鋼切割質(zhì)量影響
三、切割速度對(duì)切割質(zhì)量的影響
切割速度對(duì)不銹鋼板切割質(zhì)量有很大影響，最佳的切割速度使切割面呈較平穩(wěn)線條，光滑且下部無(wú)熔渣產(chǎn)生。若切割速度過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致鋼板無(wú)法切透，引起火花飛濺，下半部產(chǎn)生熔渣，甚至燒傷透鏡，這是因?yàn)榍懈钏俣冗^(guò)高，單位面積獲得的能量減少，金屬未能完全熔化；若切割速度過(guò)慢，則容易造成材料過(guò)熔，切縫變寬，熱影響區(qū)增大，甚至引起工件過(guò)燒，這是因?yàn)榍懈钏俣冗^(guò)低，能量在切縫處積累，引起切縫變寬，熔化金屬不能及時(shí)排出，便在鋼板下表面形成沾渣。產(chǎn)生如圖7-3所示的切割缺陷。
切割速度對(duì)切割質(zhì)量的影響
切割速度和激光輸出功率一起決定被加工件的輸入熱量。因此，由于切割速度的增減而引起的輸入熱量變化和加工質(zhì)量的關(guān)系與輸出功率變化的情況相同。一般情況下，調(diào)整加工條件時(shí)，若以改變輸入熱量為目的，不會(huì)同時(shí)改變輸出功率和切割速度，只需固定其中一方，變化另一方來(lái)調(diào)整加工質(zhì)量即可。
四、噴嘴型式（孔徑）和噴嘴高度對(duì)切割質(zhì)量的影響
噴嘴形狀(孔徑)、噴嘴高度（噴嘴出口與工件表面之間的距離）等，均會(huì)影響切割的效果。
1.噴嘴的作用
控制氣體擴(kuò)散面積，從而控制切割質(zhì)量。
氣體從噴嘴噴出的情況
2.噴嘴與切割質(zhì)量的關(guān)系
噴嘴出口孔中心與激光束的同軸度是影響切割質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要因素之一，工件越厚，影響越大。
當(dāng)噴嘴發(fā)生變形或有熔漬時(shí)，將直接影響同軸度。
噴嘴形狀和尺寸精度要求高，故噴嘴應(yīng)小心保存，避免碰傷以免造成變形。
如果由于噴嘴的狀況不良，從而需要要改變切割時(shí)的各項(xiàng)條件，那就不如更換新的噴嘴。
如果噴嘴與激光不同軸，將對(duì)切割質(zhì)量產(chǎn)生如下影響。
a．對(duì)切割斷面的影響
如圖所示，當(dāng)輔助氣體從噴嘴吹出時(shí)，氣量不均勻，出現(xiàn)一邊有熔漬，另一邊沒(méi)有的現(xiàn)象。對(duì)切割3mm以下薄板時(shí)，它的影響較小，切割3mm以上時(shí)，影響較嚴(yán)重，有時(shí)無(wú)法切透。
同軸度對(duì)切割斷面的影響
a．對(duì)尖角的影響
工件有尖角或角度較小時(shí)，容易產(chǎn)生過(guò)熔現(xiàn)象，厚板則可能無(wú)法切割。
b．對(duì)穿孔的影響
穿孔不穩(wěn)定，時(shí)間不易控制，對(duì)厚板會(huì)造成過(guò)熔，且穿透條件不易掌握。對(duì)薄板影響較小。
一、焦點(diǎn)位置對(duì)切割質(zhì)量的影響
焦點(diǎn)位置是指焦點(diǎn)距工件上表面的距離，以被加工材料表面為基準(zhǔn)，工件表面以上為正，以下為負(fù)。
焦點(diǎn)位置
焦點(diǎn)位置直接影響切口寬度、坡度、切斷面粗糙度及沾渣附著情況。焦點(diǎn)位置不同，被加工物表面的光束直徑及焦點(diǎn)深度即不同，進(jìn)而引起加工溝的形狀變化，影響加工溝內(nèi)的加工氣體及熔融金屬的流動(dòng)。
由于能量密度與4/πd2（d為焦點(diǎn)光斑直徑）成正比，所以d應(yīng)盡可能的小，以便產(chǎn)生窄的切縫。同時(shí)d和透鏡的焦深成正比，焦深越小，d就越小。但切割有飛濺，透鏡離工件太近容易被損壞，因此一般高功率激光切割工業(yè)應(yīng)用中廣泛采用5″～7.5″（127～190 mm）的焦距，實(shí)際焦點(diǎn)光斑直徑在0.1～0.4 mm 之間。因此控制焦點(diǎn)位置十分重要。考慮到切割質(zhì)量、切割速度等因素，原則上厚度<6 mm的金屬材料，焦點(diǎn)位置在表面；厚度>6 mm 的碳鋼，焦點(diǎn)位置在表面之上；在切割不銹鋼板時(shí)，焦點(diǎn)位置一般取在表面以下。通常切割厚度為4 mm 以下材料時(shí)，選用5″聚焦鏡。飛行光路切割機(jī)切割近端和遠(yuǎn)端時(shí)光程長(zhǎng)短不同，聚焦前的光束尺寸有一定差別。入射光束的直徑越大，焦點(diǎn)光斑的直徑越小。為了減少因聚焦前光束尺寸變化帶來(lái)的焦點(diǎn)光斑尺寸的變化，可安裝光路補(bǔ)償系統(tǒng)，以保持近端和遠(yuǎn)端的光程不變。激光束通過(guò)聚焦透鏡，如圖所示。
光束通過(guò)透鏡后形成的焦點(diǎn)
光斑直徑由下式計(jì)算：
其中：D——聚焦前光束直徑；K——光束質(zhì)量因子
此外，引起焦點(diǎn)位置對(duì)切割質(zhì)量影響的另一個(gè)因素是聚焦深度，其計(jì)算公式為：
由以上分析知，在不出現(xiàn)沾渣的情況下，焦點(diǎn)位置越靠近鋼板中部，切割面越平滑。
焦點(diǎn)位置的選取對(duì)不銹鋼板切割質(zhì)量有重要影響。當(dāng)焦點(diǎn)位置合適時(shí)，切割下的材料熔化，而切割沿附近的材料并未熔化，渣滓即被吹走，形成無(wú)沾渣的切縫，如下圖（a）所示；當(dāng)焦點(diǎn)位置滯后時(shí)，切割材料下端單位面積所吸收的能量減少，切割能量削弱，導(dǎo)致材料不能完全熔化被輔助氣體吹走，以致未完全熔化的材料附著在切割板材下表面，呈前端尖銳且短小的沾渣，如下圖（b）所示；當(dāng)焦點(diǎn)位置超前時(shí)，切割材料下端單位面積所吸收的平均能量增大，導(dǎo)致所切割下的材料與切割沿附近的材料融化，并呈液體流動(dòng)狀，這時(shí)由于輔助氣壓及切割速度不變，所熔化的材料呈球狀沾附在材料下表面，如下圖（c）所示。故在切割過(guò)程中可以通過(guò)觀察沾渣形態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置，保證切割質(zhì)量。
不同焦點(diǎn)位置對(duì)切割質(zhì)量的影響
在實(shí)際生產(chǎn)中，要求激光切割不銹鋼板焦點(diǎn)選取在材料表面或表面以下。這正是因?yàn)閿U(kuò)大切割溝上部寬度，提高氣體及熔融物的流動(dòng)性，并使平滑面范圍擴(kuò)大，提高切割質(zhì)量。在切割過(guò)程中，對(duì)不同厚度的鋼板，焦點(diǎn)位置并沒(méi)有一個(gè)確定的值，當(dāng)焦點(diǎn)位置取在鋼板表面或表面以上時(shí)，由于鋼板下部平均功率密度小，能量不足，易在下表面產(chǎn)生沾渣。因此，激光切割不銹鋼板時(shí)，焦點(diǎn)位置應(yīng)該選取在材料內(nèi)部。以提高氣體及熔融金屬的流動(dòng)性，保證了下部有足夠的能量密度，使平滑面范圍擴(kuò)大。具體數(shù)值通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。
六、輔助氣體（種類和壓力）對(duì)切割質(zhì)量的影響
一般情況下，材料切割都需要使用輔助氣體，主要涉及氣體種類和壓力。氣體種類、氣壓、噴嘴直徑和幾何結(jié)構(gòu)影響邊緣粗糙度和毛刺的生成，氣體消耗取決于噴嘴直徑和氣壓，切割氣壓在0.5MPa以下為低氣壓，2MPa以上為高壓。通常，輔助氣體與激光束同軸噴出，可以保護(hù)聚焦透鏡不被污染的同時(shí)，又可吹走切割區(qū)底部熔渣。在一般切割中使用的氣體種類有氧氣、氮?dú)夂涂諝猓煌懈畈牧弦蟛煌o助氣體種類。氧氣主要用于開(kāi)孔、碳鋼和不銹鋼板的高速切割、高反射材料的氧化切割；氧氣作為輔助氣體還可以使金屬燃燒，利用其氧化反應(yīng)熱進(jìn)行高效率的切割，但同時(shí)會(huì)在切割面上產(chǎn)生氧化膜；氮?dú)庵饕糜诓讳P鋼板的無(wú)氧化切割、鍍鋅板的無(wú)沾渣切割；空氣主要用于鋁和鍍鋅鋼板的無(wú)沾渣切割、普通非金屬切割。輔助氣體壓力隨使用氣體的種類，切割材料材質(zhì)，板厚及激光輸出形態(tài)（CW/脈沖）而不同。輔助氣體壓力大小影響受粘渣附著、切割面質(zhì)量、熱影響區(qū)域大小等。加工時(shí)噴嘴出口氣壓條件如下表所示：
表7-2 各切割工藝與輔助氣體壓力之間關(guān)系
|
開(kāi)孔（MPa） |
薄碳鋼O2切割(MPa) |
厚碳鋼O2切割(MPa) |
不銹鋼N2切割(MPa) |
鋁材Air切割(MPa) |
丙烯樹(shù)脂凈面切割(MPa) |
|
0.02-0.05 |
0.1-0.3 |
0.05-0.1 |
0.6-1.5 |
0.6-1.0 |
<0.01 |
在確定輔助氣體類型的前提下，氣體壓力大小是一個(gè)極為重要的因素，若輔助氣體壓力過(guò)高，會(huì)在工件表面形成渦流，削弱氣流去除熔融材料的能力，造成切割面較粗糙，切縫較寬；若輔助氣體壓力過(guò)低，則吹不走切口處的熔融材料，在被切割材料背面產(chǎn)生沾渣。因此，輔助氣體壓力存在一個(gè)最佳值。當(dāng)高速切割薄型材料時(shí)，需要較高的氣體壓力，以防切口背面產(chǎn)生沾渣；當(dāng)材料厚度增加，或切割速度較慢時(shí)，則氣體壓力宜適當(dāng)降低。以不銹鋼板激光切割為例，在其切割過(guò)程中，輔助氣體可以冷卻切縫鄰近區(qū)域，減少熱影響區(qū)，防止燃燒物損壞透鏡。另外，使用氮?dú)庾鳛檩o助氣體，它可以使熔融金屬具有良好的流動(dòng)性。
在實(shí)際加工中，因工藝參數(shù)不當(dāng)而引起加工缺陷，原因復(fù)雜。根據(jù)幾十年的激光切割工藝經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出切割缺陷的應(yīng)對(duì)之策，以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，很有意義。
不同材料切割的缺陷及處理方法
碳鋼：用O2切割
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缺陷 |
可能原因 |
解決辦法 |
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進(jìn)給速率太高 激光功率太低 氣壓太低 焦點(diǎn)太高 |
減小進(jìn)給速率 增加激光功率 加大氣壓 降低焦點(diǎn) |
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進(jìn)給速率太高 氣壓太低 焦點(diǎn)太高 |
減小進(jìn)給速率 加大氣壓 降低焦點(diǎn) |
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焦點(diǎn)太高 |
降低焦點(diǎn) |
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進(jìn)給速率太高 氣壓太低 氣體不純 焦點(diǎn)太高 |
減小進(jìn)給速率 加大氣壓 使用更純的氣體 降低焦點(diǎn) |
不銹鋼：用高壓N2切割
合金：用高壓N2切割
有切割缺陷實(shí)物照片
不銹鋼切割缺陷
2.碳鋼
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