激光切割技术的原理、应用与发展

一、引言

激光切割是一种先进的加工技术，自 20 世纪 60 年代激光诞生以来，激光技术在工业制造领域的应用不断拓展和深化。激光切割以其高精度、高速度、高灵活性和低加工成本等优势，在金属加工、汽车制造、航空航天、电子、医疗等众多领域得到了广泛的应用，成为现代工业生产中不可或缺的重要工艺。

二、激光切割的原理

激光切割是利用高能量密度的激光束照射到被切割材料表面，使材料迅速加热至熔化、汽化或燃烧状态，同时借助与光束同轴的高速气流将熔化或汽化物质吹走，从而实现材料的切割。激光切割的基本原理是基于激光与材料之间的热作用，其过程可以分为以下几个阶段：

（一）激光束的产生与传输

激光切割系统中的激光器通常采用二氧化碳（CO₂）激光器、固体激光器（如 Nd:YAG 激光器、光纤激光器）或半导体激光器等。这些激光器能够产生高能量、高方向性和高单色性的激光束。激光束通过反射镜、透镜等光学元件进行传输和聚焦，使其在被切割材料表面形成一个极小的光斑，光斑处的能量密度极高，可以达到 10⁶ - 10⁹ W/cm²。

（二）材料的加热与熔化

当激光束照射到材料表面时，材料吸收激光能量并迅速升温。在激光能量密度足够高的情况下，材料表面的温度在极短的时间内升高到熔点以上，开始熔化形成熔池。对于一些高熔点材料，如金属，激光能量还可以使材料表面直接汽化形成蒸汽。

（三）材料的汽化与去除

随着激光束的持续照射，熔池中的材料进一步吸收激光能量，温度继续升高，达到沸点后开始汽化形成蒸汽。同时，在与激光束同轴的高速气流（通常为氧气、氮气或空气）的作用下，熔化或汽化的材料被吹离切割区域，形成切缝。切缝的宽度和深度取决于激光功率、切割速度、焦点位置、辅助气体压力等工艺参数。

三、激光切割的分类

根据激光切割所使用的激光器类型、切割材料的性质以及切割工艺的不同，可以将激光切割分为以下几种类型：

（一）CO₂激光切割

CO₂激光切割是最早应用于工业生产的激光切割技术。CO₂激光器的输出波长为 10.6μm，属于远红外波段，适用于切割各种金属和非金属材料，如碳钢、不锈钢、铝合金、塑料、木材、皮革等。CO₂激光切割的优点是功率大、效率高、成本低；缺点是光束质量较差，聚焦光斑较大，切割精度和切口质量相对较低。

（二）Nd:YAG 激光切割

Nd:YAG 激光器的输出波长为 1.064μm，属于近红外波段。Nd:YAG 激光切割适用于切割各种金属材料，特别是对不锈钢、钛合金等难加工材料具有较好的切割效果。Nd:YAG 激光切割的优点是光束质量好，聚焦光斑小，切割精度高；缺点是激光器的转换效率低，能耗大，设备成本高。

（三）光纤激光切割

光纤激光器是近年来发展迅速的一种新型激光器，其输出波长为 1.064μm，与 Nd:YAG 激光器相同。光纤激光切割具有光束质量好、转换效率高、能耗低、设备体积小、维护成本低等优点，是目前应用最广泛的激光切割技术之一。光纤激光切割适用于切割各种金属材料，尤其是在薄板切割领域具有显著的优势。

（四）半导体激光切割

半导体激光器的输出波长范围较广，从可见光到近红外波段均有分布。半导体激光切割具有体积小、重量轻、寿命长、可靠性高等优点，但由于其输出功率相对较低，目前主要应用于一些对切割功率要求不高的领域，如电子元器件的微加工、医疗器械的切割等。

四、激光切割的技术特点

（一）高精度

激光切割的精度可以达到微米级别，能够满足对加工精度要求较高的零部件的加工需求。通过精确控制激光束的焦点位置、功率、切割速度等参数，可以实现高精度的切割。

（二）高速度

激光切割的速度快，一般可达每分钟数十米甚至上百米。对于薄板材料的切割，激光切割的效率远高于传统的机械切割方法。

激光切割可以实现对各种形状、尺寸和厚度的材料进行切割，不受材料形状和尺寸的限制。同时，激光切割还可以实现对复杂图形的切割，如曲线、异形孔等，具有很高的灵活性。

（四）热影响区小

激光切割过程中，热量集中在很小的区域内，对材料的热影响区小，切割后的材料变形小，切口质量好。

（五）可切割材料种类多

激光切割可以切割金属、非金属、复合材料等多种材料，具有广泛的适用性。

五、激光切割的工艺参数

激光切割的工艺参数主要包括激光功率、切割速度、焦点位置、辅助气体压力等，这些参数的合理选择直接影响到切割质量和效率。

（一）激光功率

激光功率是影响切割速度和切割质量的重要参数。一般来说，激光功率越大，切割速度越快，但同时也会导致切口宽度增大、热影响区增大等问题。因此，在实际切割过程中，需要根据材料的厚度、性质和切割要求等因素合理选择激光功率。

（二）切割速度

切割速度是指激光束在材料表面移动的速度。切割速度的选择需要综合考虑激光功率、材料厚度、材料性质等因素。如果切割速度过快，材料来不及充分熔化或汽化，会导致切口不连续、挂渣等问题；如果切割速度过慢，会导致热影响区增大、材料变形等问题。

（三）焦点位置

焦点位置是指激光束的聚焦点在材料表面的相对位置。焦点位置的选择对切割质量有很大的影响。当焦点位于材料表面上方时，称为正离焦；当焦点位于材料表面下方时，称为负离焦；当焦点位于材料表面时，称为零离焦。一般来说，对于薄板切割，采用零离焦或负离焦；对于厚板切割，采用正离焦。

（四）辅助气体压力

辅助气体的作用是将熔化或汽化的材料吹离切割区域，同时冷却切割表面。辅助气体的压力和流量对切割质量和效率有很大的影响。一般来说，对于金属材料的切割，常用氧气作为辅助气体，以提高切割速度和切口质量；对于非金属材料的切割，常用氮气或空气作为辅助气体，以防止材料燃烧和氧化。

六、激光切割的应用领域

（一）金属加工

激光切割在金属加工领域的应用非常广泛，如汽车制造、船舶制造、航空航天、机械制造等。可以用于切割各种金属板材、管材、型材等，如碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金等。

（二）电子行业

在电子行业中，激光切割可用于印刷电路板（PCB）的切割、电子元器件的微加工等。激光切割可以实现高精度、高速度的切割，满足电子行业对零部件加工精度和生产效率的要求。

（三）医疗领域

激光切割在医疗领域的应用也越来越广泛，如医疗器械的制造、人工关节的加工、心血管支架的切割等。激光切割可以实现对生物相容性材料的精确加工，为医疗行业提供高质量的医疗器械和植入物。

（四）广告标识行业

广告标识行业中，激光切割可用于切割各种金属和非金属板材，制作招牌、标识牌、灯箱等。激光切割可以实现复杂图形的切割，使广告标识更加美观、精致。

七、激光切割技术的发展趋势

（一）高功率、高亮度

随着激光技术的不断发展，激光器的功率和亮度不断提高。高功率、高亮度的激光器可以实现更厚材料的切割，提高切割效率和质量，拓展激光切割的应用领域。

（二）智能化、自动化

激光切割设备将朝着智能化、自动化方向发展，通过集成先进的传感器、控制系统和软件，实现对切割过程的自动监测、诊断和优化，提高设备的稳定性和可靠性，降低操作人员的劳动强度。

（三）多功能一体化

激光切割设备将与其他加工工艺（如焊接、打孔、打标等）相结合，实现多功能一体化加工，提高生产效率和加工质量，降低生产成本。

（四）绿色环保

随着环保意识的不断提高，激光切割技术将更加注重绿色环保。通过优化切割工艺、减少能源消耗、降低废气排放等措施，实现激光切割的可持续发展。

八、结论

激光切割作为一种先进的加工技术，以其高精度、高速度、高灵活性和低加工成本等优势，在现代工业生产中发挥着重要的作用。随着激光技术的不断发展和创新，激光切割技术将不断完善和提高，在更多领域得到广泛的应用，为推动工业制造的转型升级和高质量发展提供有力的技术支持。

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