鐳射切割（英語：Laser cutting），又稱雷射切割，是一種現代的金屬加工技術。
基本介紹
- 中文名：鐳射切割
- 外文名：Laser cutting
- 又稱：雷射切割
- 屬於：現代的金屬加工技術
簡介,原理,分類,特點,主要特性,套用範圍,歷史,金屬加工,電腦數控,參閱,
簡介
鐳射切割（英語：Laser cutting），又稱雷射切割，是一種現代的金屬加工技術，用雷射將金屬切割成特定的形狀。這種技術一般都要用到電腦數控的雷射切割機。雷射切割是一種使用雷射切割材料的技術，通常用於工業製造套用，但也開始被學校，小企業和業餘愛好者使用。 雷射切割的工作原理是通常通過光學系統引導高功率雷射器的輸出。 雷射光學系統和CNC（計算機數字控制）用於引導材料或產生的雷射束。 用於切割材料的典型商用雷射器涉及運動控制系統，以遵循要切割到材料上的圖案的CNC或G代碼。 聚焦的雷射束指向材料，然後熔化，燃燒，蒸發，或被氣體噴射吹走，留下具有高質量表面光潔度的邊緣。 工業雷射切割機用於切割平板材料以及結構和管道材料。
原理
雷射切割是利用經聚焦的高功率密度雷射束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點，同時藉助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質，從而實現將工件割開。雷射切割屬於熱切割方法之一。
分類
雷射切割可分為雷射汽化切割、雷射熔化切割、雷射氧氣切割和雷射劃片與控制斷裂四類。
1）雷射汽化切割
利用高能量密度的雷射束加熱工件，使溫度迅速上升，在非常短的時間內達到材料的沸點，材料開始汽化，形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大，在蒸氣噴出的同時，在材料上形成切口。材料的汽化熱一般很大，所以雷射汽化切割時需要很大的功率和功率密度。
雷射汽化切割多用於極薄金屬材料和非金屬材料（如紙、布、木材、塑膠和橡皮等）的切割。
2）雷射熔化切割
雷射熔化切割時，用雷射加熱使金屬材料熔化，然後通過與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化性氣體（Ar、He、N等），依靠氣體的強大壓力使液態金屬排出，形成切口。雷射熔化切割不需要使金屬完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。
雷射熔化切割主要用於一些不易氧化的材料或活性金屬的切割，如不鏽鋼、鈦、鋁及其合金等。
3）雷射氧氣切割
雷射氧氣切割原理類似於氧乙炔切割。它是用雷射作為預熱熱源，用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用，發生氧化反應，放出大量的氧化熱；另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應區吹出，在金屬中形成切口。由於切割過程中的氧化反應產生了大量的熱，所以雷射氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度遠遠大於雷射汽化切割和熔化切割。雷射氧氣切割主要用於碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。
4）雷射劃片與控制斷裂
雷射劃片是利用高能量密度的雷射在脆性材料的表面進行掃描，使材料受熱蒸發出一條小槽，然後施加一定的壓力，脆性材料就會沿小槽處裂開。雷射劃片用的雷射器一般為Q開關雷射器和CO2雷射器。
控制斷裂是利用雷射刻槽時所產生的陡峭的溫度分布，在脆性材料中產生局部熱應力，使材料沿小槽斷開。
特點
雷射切割與其他熱切割方法相比較，總的特點是切割速度快、質量高。具體概括為如下幾個方面。
⑴ 切割質量好
由於雷射光斑小、能量密度高、切割速度快，因此雷射切割能夠獲得較好的切割質量。
① 雷射切割切口細窄，切縫兩邊平行並且與表面垂直，切割零件的尺寸精度可達±0.05mm。
② 切割表面光潔美觀，表面粗糙度只有幾十微米，甚至雷射切割可以作為最後一道工序，無需機械加工，零部件可直接使用。
③ 材料經過雷射切割後，熱影響區寬度很小，切縫附近材料的性能也幾乎不受影響，並且工件變形小，切割精度高，切縫的幾何形狀好，切縫橫截面形狀呈現較為規則的長方形。雷射切割、氧乙炔切割和等離子切割方法的比較見表1，切割材料為6.2mm厚的低碳鋼板。
⑵ 切割效率高由於雷射的傳輸特性，雷射切割機上一般配有多台數控工作檯，整個切割過程可以全部實現數控。操作時，只需改變數控程式，就可適用不同形狀零件的切割，既可進行二維切割，又可實現三維切割。
⑶ 切割速度快
用功率為1200W的雷射切割2mm厚的低碳鋼板，切割速度可達600cm/min；切割5mm厚的聚丙烯樹脂板，切割速度可達1200cm/min。材料在雷射切割時不需要裝夾固定，既可節省工裝夾具，又節省了上、下料的輔助時間。
⑷ 非接觸式切割
雷射切割時割炬與工件無接觸，不存在工具的磨損。加工不同形狀的零件，不需要更換“刀具”，只需改變雷射器的輸出參數。雷射切割過程噪聲低，振動小，無污染。
⑸ 切割材料的種類多
與氧乙炔切割和等離子切割比較，雷射切割材料的種類多，包括金屬、非金屬、金屬基和非金屬基複合材料、皮革、木材及纖維等。但是對於不同的材料，由於自身的熱物理性能及對雷射的吸收率不同，表現出不同的雷射切割適應性。採用CO2雷射器，各種材料的雷射切割性能見表2。
⑹ 缺點雷射切割由於受雷射器功率和設備體積的限制，雷射切割只能切割中、小厚度的板材和管材，而且隨著工件厚度的增加，切割速度明顯下降。
雷射切割設備費用高，一次性投資大。
主要特性
切縫窄工件變形小
雷射束聚焦成很小的光點，使焦點處達到很高的功率密度。這時光束輸入的熱量遠遠超過被材料反射、傳導或擴散的部分，材料很快加熱至汽化程度，蒸發形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動，使孔洞連續形成寬度很窄的切縫。切邊受熱影響很小，基本沒有工件變形。
切割過程中還添加與被切材料相適合的輔助汽體。鋼切割時利用氧作為輔助汽體與熔融金屬產生放熱化學反應氧化材料，同時幫助吹走割縫內的熔渣。切割聚丙烯一類塑膠使用壓縮空氣，棉、紙等易燃材料切割使用惰性汽體。進入噴嘴的輔助汽體還能冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進入透鏡座內污染鏡片並導致鏡片過熱。
大多數有機與無機材料都可以用雷射切割。在工業製造系統占有份量很重的金屬加工業，許多金屬材料，不管它是什麼樣的硬度，都可以進行無變形切割。當然，對高反射率材料，如金、銀、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導體，因此雷射切割很困難，甚至不能切割。雷射切割無毛刺、皺摺、精度高，優於等離子切割。對許多機電製造行業來說，由於微機程式控制的現代雷射切割系統能方便切割不同形狀與尺寸的工件，它往往比沖切、模壓工藝更被優先選用；儘管它加工速度還慢於模沖，但它沒有模具消耗，無須修理模具，還節約更換模具時間，從而節省了加工費用，降低了生產成本，所以從總體上考慮是更合算的。
無接觸加工
雷射束聚焦後形成具有極強能量的很小作用點，把它套用於切割有許多特點。首先，雷射光能轉換成驚人的熱能保持在極小的區域內，可提供⑴狹的直邊割縫；⑵最小的鄰近切邊的熱影響區；⑶極小的局部變形。其次，雷射束對工件不施加任何力，它是無接觸切割工具，這就意味著⑴工件無機械變形；⑵無刀具磨損，也談不上刀具的轉換問題；⑶切割材料無須考慮它的硬度，也即雷射切割能力不受被切材料的硬度影響，任何硬度的材料都可以切割。再次，雷射束可控性強，並有高的適應性和柔性，因而⑴與自動化設備相結合很方便，容易實現切割過程自動化；⑵由於不存在對切割工件的限制，雷射束具有無限的仿形切割能力；⑶與計算機結合，可整張板排料，節省材料。
適應性和靈活性
與其它常規加工方法相比，雷射切割具有更大的適應性。首先，與其他熱切割方法相比，同樣作為熱切割過程，別的方法不能象雷射束那樣作用於一個極小的區域，結果導致切口寬、熱影響區大和明顯的工件變形。雷射能切割非金屬，而其它熱切割方法則不能。
一般來說，雷射切割質量可以由以下6個標準來衡量。
⒈切割表面粗糙度Rz
⒉切口掛渣尺寸
⒊切邊垂直度和斜度u
⒋切割邊緣圓角尺寸r
⒌條紋後拖量n
⒍平面度F
套用範圍
大多數雷射切割機都由數控程式進行控制操作或做成切割機器人。雷射切割作為一種精密的加工方法，幾乎可以切割所有的材料，包括薄金屬板的二維切割或三維切割。
在汽車製造領域，小汽車頂窗等空間曲線的切割技術都已經獲得廣泛套用。德國大眾汽車公司用功率為500W的雷射器切割形狀複雜的車身薄板及各種曲面件。在航空航天領域，雷射切割技術主要用於特種航空材料的切割，如鈦合金、鋁合金、鎳合金、鉻合金、不鏽鋼、氧化鈹、複合材料、塑膠、陶瓷及石英等。用雷射切割加工的航空航天零部件有發動機火焰筒、鈦合金薄壁機匣、飛機框架、鈦合金蒙皮、機翼長桁、尾翼壁板、直升機主旋翼、太空梭陶瓷隔熱瓦等。
雷射切割成形技術在非金屬材料領域也有著較為廣泛的套用。不僅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化矽、陶瓷、石英等；還能切割加工柔性材料，如布料、紙張、塑膠板、橡膠等，如用雷射進行服裝剪裁，可節約衣料10%～12%，提高功效3倍以上。
歷史
1965年，第一台生產雷射切割機用於在金剛石模具中鑽孔。 該機器由西部電氣工程研究中心製造。1967年，英國率先採用雷射輔助氧氣噴射切割金屬。在20世紀70年代早期，這項技術投入生產，用於切割鈦用於航空航天套用。 與此同時，CO2雷射器適用於切割非金屬，例如紡織品，因為當時CO2雷射器的強度不足以克服金屬的導熱性。
金屬加工
電腦數控
數控工具機是指可以透過事先編輯的精確指令進行自動加工的工具機。目前大多數的數控工具機為計算機數值控制工具機（CNC, Computer Numerical Control），由計算機扮演整合控制的角色。
在現代的計算機數值控制系統中，工件的設計高度依賴計算機輔助設計（CAD）及計算機輔助製造（CAM）等軟體。計算機輔助製造軟體解析設計模型並計算加工過程中的移動指令，透過後處理器將移動指令及其他加工過程中需使用到的輔助指令轉換成數值控制系統可以讀取的格式，之後將後處理器產生的檔案載入計算機數值控制工具機中進行工件加工。
將程式指令輸入數控系統之記憶體後，經由計算機編譯計算，透過位移控制系統，將資訊傳至驅動器以驅動馬達之過程，來切削加工所設計之零件。
參閱
- 金屬加工職業列表
- 金屬測試
- 計算機輔助工程（CAE）
- 三次元量床（CMM）
