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激光切割

激光切割

激光切割技术是一种利用高功率密度激光束使工件分离的一种先进的加工技术，其原理是利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随着光束对材料的移动，孔洞连续形成宽度很窄的切缝，完成对材料的切割。激光切割拥有加工质量更好、效率更高、切割材料范围更广等传统加工方法无法比拟的优势，激光切割主要结构由光发生器、外光传输系统、数控工作台、微机数控柜、计算机等部件组成。

西奥多·梅曼是第一个将激光引入实用领域的科学家，他于1960年7月7日宣布创造了世界上第一台激光器——激光器，中国在20世纪70年代中期开始激光切割试验。机光切割可以分为CO2激光切割、YAG激光切割和光纤激光切割。激光切割技术的未来发展将更加注重高精度、高速度、多功能、自动化、智能化、环保与节能、个性化定制和拓展应用领域等方面。

简介

激光切割技术是一种先进的加工方法，其利用高功率密度激光束照射工件，通过激光束与工件的相对运动实现材料的分离。该技术适用于各种类型的材料，包括金属、非金属、无机化合物物和有机化合物。激光切割过程具有低噪音、低残余、高效高精、无机械应力的特点，加工空间开放，配以数控技术，尤其利于精细分离和复杂曲线切割工艺的实现。

现代激光制造主流技术中，激光切割是发展最为成熟、应用最为广泛的代表性技术。无论是在宏观的工程机械制造行业还是微观的微电子制造领域，激光切割都发挥着重要作用。随着激光器光束质量的改善、光学系统、数控技术专业和直线电动机的发展，以及新型激光器的不断涌现，激光切制的加工速度、效率、切缝质量和精度方面均有大幅度提高，应用范围不断扩展。

由于新型高亮度激光器（如光纤激光器、盘片激光器和直接二极管激光器）以及大功率脉冲激光器（如微秒、纳秒、皮秒、飞秒激光器）的发展迅速，在光束质量、能量效率、波长、材料吸收率、光束传输方式、脉宽、脉冲频率和功率密度等方面均有大幅改善，拓展了激光切制的使用范围，为激光切割技术带来了新的发展机遇。未来，随着科技革命和产业革命的发生，越来越多的特殊材料（如特软、特硬特脆、高温、透明、超薄、热敏感等材料）将被广泛应用。激光加工因其对材料的广泛适应性和可控的热效应，将成为特种材料切割的重要工艺，并在精密仪器、电子制造、生物工程等领域不断拓展更多、更新的应用范围。

历史沿革

激光器的很多特性都可以通过原子系统与辐射场相互作用时的吸收和发射过程来讨论，在20世纪最初的10年里，马克斯·普朗克就曾描述过热辐射的光谱分布:在20世纪20年代，阿尔伯特·爱因斯坦结合普朗克定律和玻耳兹曼统计，提出了受激辐射的概念。爱因斯坦提出的受激辐射基本上提供了描述激光原理所需的全部理论。

20世纪30年代，爱因斯坦描述了原子的受激辐射现象。人们开始猜测是否能利用这一现象来增强光场，前提是需要实现粒子数反转，但在二级系统中是不可能的。于是人们将目光转向三级系统，并通过计算验证了辐射的稳定性。

1958年，美国科学家肖洛和查尔斯·汤斯偶然发现了一个神奇的现象：当他们将氛光灯泡发出的光照射在一种稀土晶体上时，晶体分子会发出鲜艳且始终聚集在一起的强光。基于这一现象，他们提出了激光的原理，即当物质受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时，会产生一种不发散的强光，即激光。他们的研究成果发表后引起了广泛关注。肖洛和汤斯的发现激发了全球科学家的兴趣，他们纷纷提出各种实验方案，但一直未能获得成功。

直到1960年5月16日，加利福尼亚州休斯实验室的科学家西奥多·梅曼宣布成功获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类历史上获得的第一束激光。梅曼因此成为将激光引入实用领域的第一个科学家。随后，他于1960年7月7日宣布创造了世界上第一台激光器——红宝石激光器。梅曼使用高强闪光灯管来激发红宝石，因为红宝石在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉。当红宝石受到刺激时，会发出红光。他在红宝石表面钻孔并镀上反光镜，使红光通过孔洞聚焦，从而产生了一束相当集中的纤细红色光束。这束光束能够使照射点的温度达到比太阳表面还高的程度。

1960年，苏联科学家尼古拉·巴索夫发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由P层、N层和形成双异质结的有源层组成。它具有尺寸小、耦合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制和良好的相干性等特点。

1964年，电气工程师Kumar Pate，在新泽西州的贝尔实验室首次发明使用二氧化碳混合物的体激光切割工艺。

在20世纪80年代后期，半导体技术使得更高效而耐用的半导体激光二极管成为可能，这些在小功率的CD和DVD光驱以及光纤通信中得到使用。在20世纪90年代，高功率的激光激发原理得以实现，比如片状激光器和光纤激光器。后者由于新的加工技术和20kW的高功率不断地被应用到材料加工领域中，从而部分替代了CO2,气体激光器和Nd:YAG固体激光器。

进入21世纪后，激光的非线性得以用来制造X射线脉冲 (用来跟踪原子内部的过程)，另一方面，蓝光和紫外线激光二极管已经开始进入市场。

激光切割在中国的发展

中国在20世纪70年代中期开始激光切割试验，到20世纪70年代末中科院长春光华微电子设备工程中心有限公司就为成都飞机制造厂和中国一汽先后安装了直管式中功率(500W左右)激光器，用于切制飞机和汽车零件，这是中国激光切翻开展的第一阶段。第二阶段从80年中期开始，中国上海、株州和天津市等地先后全套引进高功率(1500W左右)激光切割系统，较广泛地把激光切割新工艺引人了中国工业制造领域。20世纪90年代初以后是发展的第三阶段，中国激光界开始发展中、高功率的，具有适合切制光束模式的快流CO。激光系统(包括激光器、切机床和数控系统)为工业界服务，并正在逐步扩大阵地。在2009年，中国成功研制出一种名为代硼铍酸钾（KBBF）的物质，可用于激发深紫外线激光。它能使每张光盘的容量超过1TB，并显著提高半导体存储器的电路密度。如今，激光已成为工业、通信、科学和电子娱乐等领域中不可或缺的重要组成部分。

技术原理

激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射处的材料迅即熔化、汽化烧蚀或达到燃点，同时借与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现割开工件的一种热切割方法。根据切割过程中材料的状态不同，激光切割大致分为汽化切割、熔化切割、反应熔化切割和控制断裂切割四类。

汽化切割

在极高的激光功率密度(108W/cm²)的光束作用下，工件上将产生很高的温度梯度，由于加热时间极短，物质还来不及熔化时温度已超过材料的沸点温度，因此物质瞬间汽化，在切割处汽化物质被迅速排开而实现了切割。汽化切割过程中，蒸气随身带走熔化质点和冲刷屑，形成孔洞。汽化过程中，大约40%的材料化作蒸气逸走，而有60%左右的材料则是以熔滴形式被气流驱除的。

熔化切割

熔化型激光切割的激光功率密度(大约107W/cm²)也必须大到足以在材料表面产生蚀孔，但其熔化物不是靠汽化过程清除，而是另外用辅助气流吹除。气体喷嘴常与激光束同心，这种切制不存在蒸气对激光束的反射与吸收问题。这种方法最初主要应用于不能与氧发生放热反应的材料，如铝，但是由于激光器件的发展，目前高压无氧切割已成为不锈钢、高温合金等材料切割的主要方法，其特点是切口粗糙度低、再铸层小，使用大于12MPa惰性气体或不活泼气体作为辅助气体。

反应熔化切割

利用激光束将材料加热到燃点(材料在纯中的燃烧温度)，然后用能与材料发生放热反应的工业纯氧作为辅助气体，使其发生化学反应，放出的热量为下一层切割提供能量。在切割低碳钢时，钢在纯氧中燃烧所放出的能量占全部热量的60%，因此这种方法所需激光能量只有汽化切割的1/20。

控制断裂切割

控制断裂切割是指通过激光束加热，把易受热破坏的脆性材料高速、可控地切断。这种切割原理可概括为:激光束加热脆性材料小块区域，引起热梯度和随之而来的严重机械变形，使材料形成裂缝。控制断裂切割切割速度快，只需很小的激光功率，功率太高会造成工件表面熔化，并破坏切缝边缘。

典型结构

光发生器

目前常用的激光器按激活介质的种类可分为固体激光器和气体激光器。固体激光器一般采用光激励,能量转换环节多。光的激励能量大部分转换为热能所以效率低，但因其激活介质尺寸较小因而其结构比较紧凑。固体激光器由工作物质、光泵、玻璃套管和光液、冷却水聚光器以及谐振腔等部分组织。气体激光器一般采用电激励,效率较高,但较固体激光器体积大。常见的二化碳激光器是以二氧化碳为激励介质的分子激光器。组成有放电管，振腔，冷却系统和激励电源等部分。对于激光切割的用途而言,除了少数场合采用YAC固体激光器外大部分采用电一光转换效率较高并能输出较高功率的CO气体激光器。

外光传输系统

即外光路.激光器发出的光束到达工件前的整个光程内光束的传输光学、机械构件

数控工作台

数控工作台一般为二维精密机床,有床身板和Y向服装置及下脚料清理装置等其他附件。

微机数控柜、计算机

用于零件编程、参数的设定及设备运行控制等

冷却系统

一般采用水冷装置，用来冷却激光设备。

主要特点

切割质量好

激光切割切口窄,一般低碳钢的切口宽度可小到0.1~0.2mm,可以大大节省加工材料。切割面表面粗糙度值低,低碳钢的切割面表面粗糙度只有十几微米,因此,有时激光切割可作为最后一道工序,无需机械加工,零件即可直接使用。材料经激光切制后,热影响区宽度一般只有0.01~0.1mm切口附近的材料性能几乎不受影响,并且变形很小切割精度高,切口几何形状好。材料经激光切割后,切口两边几乎平行,并与板的表面垂直,切口横截面形状呈较规矩的长方形,切割零件尺寸的精度可达±0.05m。

加工柔性好,切割效率高

由于激光的传输特性，一台激光器可同时为几个工作台服务。激光切割过程可全部实现数控(CNC控制),能够切割任意形状的零件。既可进行二维切割又可实现三维切割。激光切割速度快,切割效率高。例如用1200的激光切2mm厚的低碳钢板，切割速度可达6m/min；切割5mm厚的聚丙烯，板切制速度可达12m/min。材料在激光切割时不需装夹固定，既可节省工装夹具，又节省了上下料的辅助时间。与机械切割方法相比，激光切割没有工具的磨损。加工不同材料和零件，不用更换“刀具”，只需改变激光器的输出参数。另外，激光切割噪声相对较低，污染小。

切材料范围广

激光可用于多种金属材料和非金属材料如木材、塑料、复合材料等的切割。目前，激光切割金属材料主要用于中、小厚度(小于30mm)的板材对大厚度金属板的切还有一定困难。激光熔化切割与激光深熔焊类似,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惰性气体,依靠气体压力使液态金属排出形成切口,熔化切割时,不需要使金属完全汽化,所需能量只有汽化切割的1/10。主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割。

常见分类

YAG固体激光切割

YAG固体激光切割产品的输出功率大多在600W以下，由于输出能量小，主要用于打孔、点焊及薄板的切割。YAG固体激光切割机的激光束可在脉冲或连续波的情况下应用，YAG固体激光切割机具有价格低、稳定性好的特点，但其能量效率较低(一般小于3%)，同时具有波长短、聚光性好等优点，适于精密加工，特别是在脉冲下进行孔加工最为有效，也可用于切削、焊接和光刻等。YAG固体激光切割机激光器的波长不易被非金属吸收，故不能切割非金属材料。YAG固体激光切割机还需提高电源的稳定性和寿命，即要研制大容量、长寿命的光泵激励光源.如采用半导体光泵使能量效率大幅增长

CO激光切割

CO激光切割的基本原理是:聚焦在工件表面上(或略低于表面)的激光束(功率密度达10~107w/cm)被工件表面吸收，使材料熔化或汽化。与激光束同轴的辅助气体经喷嘴吹入切割区，吹走切缝中的渣并冷却和保护聚焦透镜，工件相对于激光束移动，切割出所需形状的切缝。CO激光切割可以稳定切割20mm厚度以内的碳素钢、10mm厚度以内的不锈钢、8mm厚度以内的铝合金。其波长为10.6pm，容易被非金属吸收，可以高质量地切割木材、亚克力、PP、聚甲基丙烯酸甲酯等非金属材料。CO激光切割机通过装有喷吹氧气、压缩空气或惰性气体N的喷嘴来提高切割速度和切口的平整度与光洁度。CO气体激光还需解决大功率激光器放电稳定性的问题，以提高电源稳定性，延长使用寿命。

光纤激光切割

光纤激光切割既可做平面切割，也可做斜角切割，切割后的边缘整齐、平滑，适用于金属板材等的高精度切割加工。光纤激光切割机比普通CO激光切割机更节省空间和气体消耗量，光电转化率高，是节能环保的新产品，也是世界上的领先技术产品之一。光纤激光器以光纤作为波导介质,耦合效率高易形成高功率密度,散热效果好,无需庞大的制冷系统,具有高转换效率,低阙值,光束质量好和窄线宽等优点。光纤激光器通过掺杂不同的稀土离子可实现380nm~3900nm波段范围的光输出通过光纤光栅谐振腔的调节可实现波长选择且可调谐。与传统的固体激光器相比.光纤激光器体积小命长易于系统集成在高温高压高震动、高冲击的恶劣环境中皆可正常运转,其输出光谱具有更高的可调谐性和选择性。

影响因素

在进行激光切割时,切割质量受到诸多因素的影响,如激光参数、材料参数、工艺参数、其他参数等。其中影响激光切割的参数主要有:激光输出功率、切割速度、焦点位置及辅助气体相关参数等在实际的加工过程中主要考虑以下几个因素。

激光输出功率

激光切割过程中，激光是主要的能量来源，其输出功率的大小将直接影响切割时的功率密度，从而影响切割质量。对于给定的激光功率密度和材料，切割速度与激光功率密度成正比，因此增大功率密度可以提高切割速度。

这里所指的功率密度不仅与激光输出功率有关，还与光束质量（主要是模式）有关。对于连续波输出的激光器，激光输出功率大小和模式都会对切割质量产生重要影响。在实际操作时，常常设置最大功率以获得高的切割速度，或用以切割较厚材料。然而，光束模式（光束能量在横截面上的分布）有时更加重要。当提高激光输出功率时，模式常随之稍有变坏。实验发现，在小于最大功率的状况下，焦点处获得最高的激光功率密度，并获得最佳切割质量。

在其他条件不变的情况下，随着激光输出功率的增大，切缝宽度也会增大。实际上，当激光输出功率增大、切割速度变大时，如果切割质量仍然很好，切制速度范围也会随之扩大，从而提高切割的质量稳定性和效率。

切割速度

切割速度的变化对激光与材料的相互作用时间和材料在单位面积上获得的激光能量产生影响。当其他参数保持不变时，切割速度的增加会导致激光照射材料的时间缩短，从而使材料在单位面积上获得的能量减少。在较低的切割速度下，激光与材料的相互作用时间过长，作用范围过大，导致切缝周围的材料熔化或气化，形成较宽且粗糙的切缝，切割质量较差。

随着切割速度的增加，当达到一个合适的范围时，激光的能量密度能够完全去除材料，形成光滑、均匀且宽度适中的切缝，获得较好的切割质量。然而，当切割速度继续增加时，激光能量密度会降低，不足以完全去除材料，导致切缝较窄但切割深度无法达到要求。如果切割速度增加到一定程度，材料获得的能量低于作用阈值，就无法进行切割。因此，保持恒定的最佳切割速度对于获得最佳切割效果是必要的。在用恒定功率的激光切割材料（特别是金属材料）时，在其他工艺参数恒定的情况下，激光切割速度有一个相对调节范围，仍能保持比较满意的切割质量。这种调节范围在切割薄金属时比切割厚件时的稍大。

因此，正常切割区就是居中的切割速度范围，越接近其上限，割缝越窄；越接近其下限，割缝越宽。而且当接近上限或下限时，材料底面容易黏附熔渣。所以，选择合适的切割速度对于获得高质量的切割结果非常重要。

焦点位置

焦点位置对切缝宽度有直接的影响。焦点处功率密度最高，当焦点处于最佳位置时，切缝宽度最小，切割深度最大，切边质量最好，切割效率最高。焦点与材料表面的相对位置对切口质量的影响极大，包括切缝宽度、切割侧壁的形貌等。

焦点位置可以用离焦量来表示，当焦点位于材料上表面时定义为零，焦点位于材料表面上方时为正，下方为负，数值为焦点到表面的垂直距离。焦点的位置可以在材料上方、上表面、内部、下表面，这取决于材料的种类、厚度和切割要求。大多数情况下，焦点置于材料表面或稍微向下，且焦点在材料表面上下一定范围内都可以得到较好的切割效果。但是在某些场合却要求切割侧壁有一定的锥度，因此要根据具体的切制要求来确定焦点的位置。对于6mm以内金属薄板的切制，焦点在材料表面上下一定范围内都可以整洁（不粘熔渣）地切割，但割缝宽度基本与焦点位置成线性增大。对于不同的激光切割机及不同的切缝宽度和质量要求，具体的焦点位置应由实验确定。

为了实现稳定的高质量切制，焦点位置必须恒定。一般工业激光切制机都配有高度传感器，也就是采用Z轴跟踪系统自动跟踪喷嘴高度。高度跟踪系统为独立的闭环系统，通常只用两个外部命令“跟踪”和“抬起”即可。加工金属的激光切割机主要采用电容非接触式间隙传感器，跟踪精度为0.01~0.1mm，标称间隙为0.5~3mm测量电极结构一般采用与喷嘴一体式结构或环式结构。非金属的切割一般采用机械式间隙传感器。由于焦点处功率密度最高，在大多数情况下，切制时焦点位置刚好处在工件表面，或稍微在表面以下约1/3板厚处。在整个切制过程中，确保焦点与工件相对位置定是获得稳定的切割质量的重要条件。

辅助气体相关参数

一般情况下,材料切割都需要使用辅助气体,需要考虑所采用的辅助气体的类型、纯度和压力。

(1)辅助气体的类型。通常辅助气体通道与激光同轴，用于从切割区吹掉熔渣，还可以冷却切割材料、减少热影响层和保证聚焦透镜不受污染。激光切割常用的辅助气体主要有氧气、氮气和空气。对部分金属材料和部分非金属材料，常使用压缩空气或惰性气体清除熔化和蒸发材料，同时抑制切割区过度燃烧。对大多数金属则使用活性气体(主要是氧气),其与炽热金属发生氧化放热反应，这部分附加能量可提高1/3~1/2切制速度。

(2)辅助气体的纯度和压力。激光切割对辅助气体的纯度有较高的要求如果纯度低则工件切不透或出现大量熔渣。一般要求辅助气体的纯度不小于99.5%。在辅助气体确定的前提下,气体压力是个极为重要的因素。气体压力太小,气流清除不掉切割区的熔渣，会切不透或出现大量挂渣。如果气体压力增大,动量增大,排渣能力升高,可以使无挂渣的切割速度增大。但压力过大,切割面反而会粗糙,从而影响切割质量。

应用领域

电子领域

微芯片激光切割

微芯片激光切割装置采用了纳秒级的超短波低能激光，以及特殊的聚焦系统，能够在宝石等材料内部打出细小孔眼，从而轻松分割出理想的微芯片。

液晶屏短路环的激光切割

液晶屏短路环的激光切割具有定位精度高、切割光滑干净、快速准确等优点。

材料加工领域

陶瓷材料的激光切割

陶瓷是一种无机化合物非金属材料，具有高硬度、抗氧化、抗磨损、耐高温、耐腐蚀、低摩擦系数、低热膨胀系数、轻质等优点，是机械零件和切削刀片的良好材料。但陶瓷在常温下不呈现塑性变形，加工表面易产生裂角，导致物理性能下降，同时由于其材质硬而脆，加工时刀具的磨损严重，材料去除率低，影响了加工效率。因此，采用激光切制技术对陶瓷材料进行加工成为一种可行方法。

汽车制造领域应用

汽车制造领域

车身装配领域

标准规范

GB/T 34380-2017《数控激光切割机》是一个国家标准，它规定了数控激光切割机的型式与基本参数、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存。这个标准适用于数控激光切割机。

发展趋势

大功率激光器和新型激光器

随着激光器技术的不断发展，大功率激光器和新型激光器逐渐成为主流。高功率激光切割可以获得更高的加工速度和更好的切割边缘质量，同时能够切割更厚的材料板。新型激光器如光纤激光器具有更高的光束质量，可以提供更稳定、更高效的切割效果。

激光切割工艺的改进

激光切割工艺的改进：为了进一步提高激光切割的质量和效率，可以采取一些工艺改进措施。例如，增加辅助气体对切割熔渣的吹力，可以提高熔体的流动性；加人造渣剂可以改善熔体的质量；增加辅助能源并改善能量之间的合，可以提高切割效率；改用吸收率更高的激光切割材料，可以更好地利用激光能量。

自动化和智能化切割

随着自动化和智能化技术的不断发展，激光切割机的自动化和智能化程度不断提高。通过将CAD/CAPP/CAM以及人工智能技术运用于激光切割，可以研制出高度自动化的多功能激光加工系统。这将大大提高生产效率，降低人工成本，同时也可以提高切割精度和质量。

激光切割的集成化

将激光切割、激光焊接及热处理等各道工序后的质量反馈集成在一起，可以充分发挥激光加工的整体优势。通过建立工艺数据库和专家自适应控制系统，可以实现加工速度自适应地控制激光功率和激光模式。这种集成化的方式可以使激光切割整机性能得到普遍提高。

网络化控制与远程访问

随着互联网和5G技术的发展，建立基于web的网络数据库成为可能。通过采用模糊推理机制和人工神经网络来自动确定激光切割工艺参数，可以实现远程异地访问和控别激光切制过程。这种方式使得激光切割工艺参数的确定更加智能化和远程化。

三维高精度大型数控激光切割机

为了满足汽车和航空等工业的立体工件切割的需要，三维激光切割机正向高效率、高精度、多功能和高适应性方向发展。同时，随着机器人技术的不断发展，激光切制机器人的应用范围将会愈来愈大。三维高精度大型数控激光切割机及其切割工艺技术将会得到更加广泛的应用和发展。

无人化和自动化方向

随着技术的不断发展，未来激光切割将会更加自动化和智能化。激光切割单元FMC将会成为一种趋势，实现更加高效、精准的激光切割。同时，随着无人化和自动化技术的不断发展，未来激光切割也将会更加无人化和自动化，提高生产效率和降低人工成本。

参考资料

Phys.Rev.136,A1187(1964).journals.2023-11-24

标准号:GB/T 34380-2017.国家标准全文公开系统.2023-11-24

市政府办公室印发关于支持激光产业高质量发展若干政策的通知.宿迁市人民政府.2023-11-24

“十四五”智能制造发展规划.工业和信息化部.2023-11-24

403 Forbidden.中国政府网.2023-11-24

工业和信息化部等六部门关于印发工业能效提升行动计划的通知.中华人民共和国工业和信息化部.2023-11-24