激光切割工艺在机械加工中的应用

张忠辉

摘 要：我国社会经济水平不断提升，机械加工行业获得了迅猛发展。激光切割工艺作为机械加工中的重要技术，尤其对于硬质金属材料的加工来说，取得了良好的应用效果。使用激光切割技术可以大幅增强机械加工的效率与质量，还可以对复杂的物料形状进行加工。综上所述，本文将对激光切割工艺在机械加工中的应用策略进行分析，以期增强激光切割工艺的应用效果。

关键词：激光切割；机械加工；应用策略；发展趋势

前言：激光切割工艺作为机械加工行业中的主要技术，是高效的钣金加工手段，被汽车、船舶、航空、制造、化工等多个行业领域广泛应用。激光切割工艺具备极为广泛的应用前景，随着我国现代科学技术水平快速提升，使人们更加重视激光切割工艺在机械加工中的应用效果，从而促进我国制造业获得进一步的发展。

一、激光切割工艺工作原理与优势解析

（一）激光切割工艺工作原理

激光的主要形式为平行光束，会具备较强的同调性，还具备单色波长等性能特征。使用激光切割工艺进行机械加工过程中，是利用激光束与物质互相作用的特性。在进行相关科学实验时，利用电管以电流、光的能量方式对原子内含有易激发物质或某晶体进行撞击，在撞击之后其自身所带电子将会处于能量较高的状态，将高能量电子向低能量电子进行转化之后[1]，原子将会产生更加巨大的能量，从而释放出光子。在这个状态下，被释放的光子会对原子进行持续撞击，使光子持续生成光子，这个过程会形成循环，且向相同的方向进行运行，并集中成一束能量极强的光，这便是激光的主要原理，由于激光的能量十分強大，可轻易穿透任何材质。

（二）激光切割工艺应用在机械加工中发挥的优势

在机械加工过程中经常会使用的材料为刚才，使用激光切割工艺可以提升加工效率与质量。第一，使用激光切割工艺可以增强加工零件尺寸精度，相比于等离子、手工等传统加工方式来说，激光切割工艺可以快速对所需零件形状与尺寸进行加工，将精度误差控制在不超过0.1mm范围内。使用激光切割工艺所加工的零件断面效果良好，表面较为光滑，可以进行更加精密的拼接与配合。第二，相比于传统的机械加工方式，激光切割工艺花费的成本较低，虽然购置激光加工机成本高，但后期投入使用时，会具备加工速度快、能耗低、零件加工合格率高等特点。

二、激光切割工艺类型

激光切割工艺包含多种类型，可以通过激光切割原理与激光切割工艺对其进行分类，另外还可以利用组织结构、切割材料等方式进行分类。

（一）切割原理类型

1.汽化切割

通过高功率密度激光束的加热作用下，0.5-6.0mm[2]厚度的材料板表面温度会迅速提升并达到沸点，避免热传导造成的熔化现象，会使部分材料出现气化或蒸汽小时的现象，部分材料会成为喷出物从底部的切缝由辅助气体流吹走。使用汽化切割工艺时，通常使用氮气或氩气。

2.高压气聚焦熔化切割

在激光束功率密度超过一定值之后，光束的照射点部位材料从内部开始蒸发并形成孔洞，之后其作为黑体会对全部的入射光束能量进行吸收。之后熔化的金属壁会将小孔保卫，利用与光束相同轴数的辅助气流会将小孔洞周边的熔融材料吹走，这种办法使用的切割气体为氮气。

3.氧化熔化切割

在使用氧化熔化切割工艺时，经常会使用惰性气体，如果使用氧气或其他活性气体，对材料进行切割加工时，将会由于激光的照射被点燃，会与氧气产生剧烈的化学反应从而生成另一热源。这种办法可以获取较高的切割速度，使用的气体为氧气。

（二）激光器类型

1.二氧化碳切割

这种切割工艺会对金属、纸张、林材、塑料或其他非金属材料进行切割。

2.YAG切割

可对金属、陶瓷、塑料等材料进行切割。

3.光纤激光切割

可对金属、陶瓷、塑料等进行切割。其中包含二氧化碳切割办法的速度与切割质量，还不会花费过高的操作成本，逐渐成为未来激光切割工艺的主要发展趋势。

三、激光切割工艺在机械加工中的应用分析

（一）激光功率

对激光功率造成影响的部分为激光器，激光功率与切割速度成正比，即激光功率越大则切割速度越快，还会增强激光切割效果。激光功率不仅会受到自身硬件条件的限制，还会受到外界多种因素的影响，其中包含切割加工材料的性质、材料的导热性能等方面。例如使用激光切割工艺在对表面较为光滑的材料进行切割时，会使光反射率较高，从而增强激光的利用效率[3]，达到更好的切割效果。如果切割材料作为良性热导体，将会使切割点位的热量迅速扩散到机械加工材料的其他部位，还会造成热区效应情况出现，还会造成机械加工材料变形、切口粗糙等问题。

（二）切割速度

对激光切割工艺的切割速度造成影响的因素较多，例如切割工艺不同、机械加工材料不同、切割气体压力大小等。一般来讲，激光能量越高、材料的厚度越小，会使激光切割的气体压力越大，切割的速度更快。其中值得注意的是，在使用激光切割工艺进行机械加工过程中，不能仅仅增强激光切割速度，还需要确保激光切割工艺的质量。尤其在对精度要求较高的机械零件进行加工时，需要增强激光切割工艺的精确程度，才能为机械加工零件的可用性提供保障。

（三）气体压力

使用激光切割喷吹气体可以发挥以下作用：第一，将被切割的金属材料进行熔化，使用喷吹气体的压力将液态的金属吹走，形成最终切口。第二，对氧助熔化进行切割，在切割过程中，气体会与被切割的金属材料出现反应放热，为激光切割提供部分能量。可见气体会对激光切割工艺的质量形成较大影响。不同的气体喷嘴会造成不同的气体流量。在功率与切割材料板厚度一定的情况下，会形成最优的切割气体流量。无论使用哪一种激光切割方式，都要对气体压力进行严格、科学的控制，才能确保气体在吹出熔化金属与氧化物的同时，增强切口的整齐性，从而提升激光切割工艺的加工质量。

（四）光束质量

激光器在输出光束时，若是将模式调整为基横模，将会增强激光切割的加工效率，使用聚焦的方式，可以获得较小的光斑，还可以增强功率密度。通过对相关研究数据分析可以看出，在进行非氧助切割时，切口的宽度会与激光光斑直径基本相同。光斑的大小程度会与聚焦透镜焦距为正比。短焦距透镜会得到直径较小的光斑，焦深也会较小。焦深小，可以进行激光切割的材料板厚度越薄，会对工件表面与透镜之间的距离进行更加严格的要求。在对厚材料板进行切割时，需要选择焦距较大的聚焦透镜。离焦量会对切割速度与切割深度造成较大的影响，要确保在切割过程中离焦量不能出现变化，可使用负值作为离焦量。

四、激光切割技术的发展趋势解析

根据目前激光切割技术的应用情况来看，激光切割技术的速度不断提升，未来也会朝多自由度、高智能化等方向进行发展。为了满足汽车、船舶等行业领域的立体工件切割需求，三维激光切割机研发出更多的5轴、6轴机，使激光切割工艺效率更高、精度更高、功能性更多。另外激光切割机器人技术更加成熟，也被广泛应用在实际机械加工的过程中。

结语：使用激光切割工艺进行机械加工，可以增强加工零件的精度，还可以使加工零件表面光滑，为后续的利用奠定良好基础。相比于传统的加工方式，激光切割工艺还会减少成本投入、降低能耗、提升加工效率。在未来，激光切割工艺还会朝智能化等多个方向进行发展，从而促进我国机械加工行业获得进一步发展，激光切割工艺也会被更多的行业领域所应用，从而促进我国科学技术水平不断提升。

参考文献：

[1]齐忠军，李晓明，王涛. 激光切割工艺在机械加工中的应用[J]. 农业科技与装备，2014（05）：63-64.

[2]叶德军. 机械加工中激光切割工艺的应用分析[J]. 民营科技，2018（07）：23.

[3]杨柯权，付宗国，于宏斌. 国内金属切割工艺的应用现状及发展分析[J]. 机械工程师，2017（05）：56-58.