激光切割工藝在機械加工中的應用

張忠輝

摘 要：我國社會經濟水平不斷提升，機械加工行業獲得了迅猛發展。激光切割工藝作為機械加工中的重要技術，尤其對于硬質金屬材料的加工來說，取得了良好的應用效果。使用激光切割技術可以大幅增強機械加工的效率與質量，還可以對復雜的物料形狀進行加工。綜上所述，本文將對激光切割工藝在機械加工中的應用策略進行分析，以期增強激光切割工藝的應用效果。

關鍵詞：激光切割；機械加工；應用策略；發展趨勢

前言：激光切割工藝作為機械加工行業中的主要技術，是高效的鈑金加工手段，被汽車、船舶、航空、制造、化工等多個行業領域廣泛應用。激光切割工藝具備極為廣泛的應用前景，隨著我國現代科學技術水平快速提升，使人們更加重視激光切割工藝在機械加工中的應用效果，從而促進我國制造業獲得進一步的發展。

一、激光切割工藝工作原理與優勢解析

（一）激光切割工藝工作原理

激光的主要形式為平行光束，會具備較強的同調性，還具備單色波長等性能特征。使用激光切割工藝進行機械加工過程中，是利用激光束與物質互相作用的特性。在進行相關科學實驗時，利用電管以電流、光的能量方式對原子內含有易激發物質或某晶體進行撞擊，在撞擊之后其自身所帶電子將會處于能量較高的狀態，將高能量電子向低能量電子進行轉化之后[1]，原子將會產生更加巨大的能量，從而釋放出光子。在這個狀態下，被釋放的光子會對原子進行持續撞擊，使光子持續生成光子，這個過程會形成循環，且向相同的方向進行運行，并集中成一束能量極強的光，這便是激光的主要原理，由于激光的能量十分強大，可輕易穿透任何材質。

（二）激光切割工藝應用在機械加工中發揮的優勢

在機械加工過程中經常會使用的材料為剛才，使用激光切割工藝可以提升加工效率與質量。第一，使用激光切割工藝可以增強加工零件尺寸精度，相比于等離子、手工等傳統加工方式來說，激光切割工藝可以快速對所需零件形狀與尺寸進行加工，將精度誤差控制在不超過0.1mm范圍內。使用激光切割工藝所加工的零件斷面效果良好，表面較為光滑，可以進行更加精密的拼接與配合。第二，相比于傳統的機械加工方式，激光切割工藝花費的成本較低，雖然購置激光加工機成本高，但后期投入使用時，會具備加工速度快、能耗低、零件加工合格率高等特點。

二、激光切割工藝類型

激光切割工藝包含多種類型，可以通過激光切割原理與激光切割工藝對其進行分類，另外還可以利用組織結構、切割材料等方式進行分類。

（一）切割原理類型

1.汽化切割

通過高功率密度激光束的加熱作用下，0.5-6.0mm[2]厚度的材料板表面溫度會迅速提升并達到沸點，避免熱傳導造成的熔化現象，會使部分材料出現氣化或蒸汽小時的現象，部分材料會成為噴出物從底部的切縫由輔助氣體流吹走。使用汽化切割工藝時，通常使用氮氣或氬氣。

2.高壓氣聚焦熔化切割

在激光束功率密度超過一定值之后，光束的照射點部位材料從內部開始蒸發并形成孔洞，之后其作為黑體會對全部的入射光束能量進行吸收。之后熔化的金屬壁會將小孔保衛，利用與光束相同軸數的輔助氣流會將小孔洞周邊的熔融材料吹走，這種辦法使用的切割氣體為氮氣。

3.氧化熔化切割

在使用氧化熔化切割工藝時，經常會使用惰性氣體，如果使用氧氣或其他活性氣體，對材料進行切割加工時，將會由于激光的照射被點燃，會與氧氣產生劇烈的化學反應從而生成另一熱源。這種辦法可以獲取較高的切割速度，使用的氣體為氧氣。

（二）激光器類型

1.二氧化碳切割

這種切割工藝會對金屬、紙張、林材、塑料或其他非金屬材料進行切割。

2.YAG切割

可對金屬、陶瓷、塑料等材料進行切割。

3.光纖激光切割

可對金屬、陶瓷、塑料等進行切割。其中包含二氧化碳切割辦法的速度與切割質量，還不會花費過高的操作成本，逐漸成為未來激光切割工藝的主要發展趨勢。

三、激光切割工藝在機械加工中的應用分析

（一）激光功率

對激光功率造成影響的部分為激光器，激光功率與切割速度成正比，即激光功率越大則切割速度越快，還會增強激光切割效果。激光功率不僅會受到自身硬件條件的限制，還會受到外界多種因素的影響，其中包含切割加工材料的性質、材料的導熱性能等方面。例如使用激光切割工藝在對表面較為光滑的材料進行切割時，會使光反射率較高，從而增強激光的利用效率[3]，達到更好的切割效果。如果切割材料作為良性熱導體，將會使切割點位的熱量迅速擴散到機械加工材料的其他部位，還會造成熱區效應情況出現，還會造成機械加工材料變形、切口粗糙等問題。

（二）切割速度

對激光切割工藝的切割速度造成影響的因素較多，例如切割工藝不同、機械加工材料不同、切割氣體壓力大小等。一般來講，激光能量越高、材料的厚度越小，會使激光切割的氣體壓力越大，切割的速度更快。其中值得注意的是，在使用激光切割工藝進行機械加工過程中，不能僅僅增強激光切割速度，還需要確保激光切割工藝的質量。尤其在對精度要求較高的機械零件進行加工時，需要增強激光切割工藝的精確程度，才能為機械加工零件的可用性提供保障。

（三）氣體壓力

使用激光切割噴吹氣體可以發揮以下作用：第一，將被切割的金屬材料進行熔化，使用噴吹氣體的壓力將液態的金屬吹走，形成最終切口。第二，對氧助熔化進行切割，在切割過程中，氣體會與被切割的金屬材料出現反應放熱，為激光切割提供部分能量。可見氣體會對激光切割工藝的質量形成較大影響。不同的氣體噴嘴會造成不同的氣體流量。在功率與切割材料板厚度一定的情況下，會形成最優的切割氣體流量。無論使用哪一種激光切割方式，都要對氣體壓力進行嚴格、科學的控制，才能確保氣體在吹出熔化金屬與氧化物的同時，增強切口的整齊性，從而提升激光切割工藝的加工質量。

（四）光束質量

激光器在輸出光束時，若是將模式調整為基橫模，將會增強激光切割的加工效率，使用聚焦的方式，可以獲得較小的光斑，還可以增強功率密度。通過對相關研究數據分析可以看出，在進行非氧助切割時，切口的寬度會與激光光斑直徑基本相同。光斑的大小程度會與聚焦透鏡焦距為正比。短焦距透鏡會得到直徑較小的光斑，焦深也會較小。焦深小，可以進行激光切割的材料板厚度越薄，會對工件表面與透鏡之間的距離進行更加嚴格的要求。在對厚材料板進行切割時，需要選擇焦距較大的聚焦透鏡。離焦量會對切割速度與切割深度造成較大的影響，要確保在切割過程中離焦量不能出現變化，可使用負值作為離焦量。

四、激光切割技術的發展趨勢解析

根據目前激光切割技術的應用情況來看，激光切割技術的速度不斷提升，未來也會朝多自由度、高智能化等方向進行發展。為了滿足汽車、船舶等行業領域的立體工件切割需求，三維激光切割機研發出更多的5軸、6軸機，使激光切割工藝效率更高、精度更高、功能性更多。另外激光切割機器人技術更加成熟，也被廣泛應用在實際機械加工的過程中。

結語：使用激光切割工藝進行機械加工，可以增強加工零件的精度，還可以使加工零件表面光滑，為后續的利用奠定良好基礎。相比于傳統的加工方式，激光切割工藝還會減少成本投入、降低能耗、提升加工效率。在未來，激光切割工藝還會朝智能化等多個方向進行發展，從而促進我國機械加工行業獲得進一步發展，激光切割工藝也會被更多的行業領域所應用，從而促進我國科學技術水平不斷提升。

參考文獻：

[1]齊忠軍，李曉明，王濤. 激光切割工藝在機械加工中的應用[J]. 農業科技與裝備，2014（05）：63-64.

[2]葉德軍. 機械加工中激光切割工藝的應用分析[J]. 民營科技，2018（07）：23.

[3]楊柯權，付宗國，于宏斌. 國內金屬切割工藝的應用現狀及發展分析[J]. 機械工程師，2017（05）：56-58.