鈑金車間傳統(tǒng)加工方式包括剪板、沖裁和折彎等工藝流程。其中沖裁工藝需要大量的模具，具有少切削及無切削工藝特征。在一個(gè)產(chǎn)品加工時(shí)一般會(huì)配備幾十套模具，甚至有的產(chǎn)品可能需要上百套模具。從經(jīng)濟(jì)角度上看，配備大量的模具，產(chǎn)品的成本相應(yīng)增加，造成資金浪費(fèi)。為適應(yīng)現(xiàn)代鈑金加工，降低生產(chǎn)成本和提高加工工藝，激光加工技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。
隨著激光切割機(jī)的應(yīng)用，鈑金加工工藝得到了飛速發(fā)展，并給鈑金制作加工帶來了革命性理念。激光切割工藝以及激光切割機(jī)設(shè)備正在被廣大板材加工企業(yè)所熟悉接受，并以其加工效率高、加工精度高、切割斷面質(zhì)量好、可進(jìn)行三維切割加工等諸多優(yōu)勢(shì)逐步取代傳統(tǒng)鈑金切割設(shè)備（以數(shù)控設(shè)備為主，包括剪床、沖床、火焰切割、等離子切割、高壓水切割等傳統(tǒng)的板材加工設(shè)備）。激光加工技術(shù)在鈑金加工工藝中具有很重要的位置，提高了鈑金工藝勞動(dòng)生產(chǎn)率，推動(dòng)了鈑金工藝的發(fā)展。激光切割機(jī)柔性化程度高,可以大大地縮減加工周期，切割速度快，出產(chǎn)效率高，提高加工精度，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度，這些優(yōu)點(diǎn)被眾多制造企業(yè)關(guān)注。
激光切割機(jī)是將激光器發(fā)射出的激光，經(jīng)光路系統(tǒng)，聚焦成高功率密度的激光束。激光束照射到工件表面，使工件達(dá)到熔點(diǎn)或沸點(diǎn)，同時(shí)與光束同軸的高壓氣體將熔化或氣化金屬吹走。隨著光束與工件相對(duì)位置的移動(dòng)，最終使材料形成切縫，從而達(dá)到切割目的。激光切割加工是用不可見的光束代替了傳統(tǒng)的機(jī)械刀，具有精度高、切割快速、不受切割圖案限制、自動(dòng)排版節(jié)省材料、切口平滑、加工成本低等特點(diǎn)，將逐漸改進(jìn)或取代傳統(tǒng)金屬切割設(shè)備。激光刀頭的機(jī)械部分與工件無接觸，在工作中不會(huì)對(duì)工件表面造成劃傷；激光切割速度快，切口光滑平整，一般無需后續(xù)加工；切割熱影響區(qū)小，板材變形小，切縫窄（0.1～0.3mm）；切口沒有機(jī)械應(yīng)力，無剪切毛刺；重復(fù)性好，不損傷材料表面，數(shù)控編程，可加工任意平面圖，對(duì)幅面很大的整板切割，無需開發(fā)模具，經(jīng)濟(jì)省時(shí)。一般來講，建議12mm以內(nèi)的碳鋼板、10mm以內(nèi)的不銹鋼板推薦使用激光切割機(jī)。激光切割機(jī)無切削力，加工無變形，無刀具磨損，材料適應(yīng)性好。無論是簡(jiǎn)單還是復(fù)雜零件，都可以用激光一次精密快速成形切割?？蓪?shí)現(xiàn)切割自動(dòng)排樣、套料，提高了材料利用率，經(jīng)濟(jì)效益好。
激光切割機(jī)分類
根據(jù)激光發(fā)生器的不同，目前市面上大致可分為三種激光切割機(jī)：CO2激光切割機(jī)、YAG（固體）激光切割機(jī)、光纖激光切割機(jī)。
CO2激光切割機(jī)
CO2激光切割機(jī)：可以穩(wěn)定切割20mm以內(nèi)的碳鋼、10mm以內(nèi)的不銹鋼、8mm以下的鋁合金。CO2激光器波長為10.6μm，比較容易被非金屬吸收，可以高質(zhì)量地切割木材、亞克力、PP、有機(jī)玻璃等非金屬材料，但是CO2激光的光電轉(zhuǎn)化率只有10%左右。CO2激光切割機(jī)在光束出口處裝有噴吹氧氣、壓縮空氣或惰性氣體N2的噴嘴，用來提高切割速度和保證切口的平整光潔。為了提高電源的穩(wěn)定性和壽命，CO2氣體激光要解決大功率激光器的放電穩(wěn)定性。根據(jù)國際安全標(biāo)準(zhǔn)，激光危害等級(jí)分4級(jí)，CO2激光屬于危害最小的一級(jí)。
主要優(yōu)點(diǎn)：功率大，一般功率都在2000～4000W之間，能切割25mm以內(nèi)的全尺寸不銹鋼、碳鋼等常規(guī)材料、以及4mm以內(nèi)鋁板和60mm以內(nèi)的亞克力板、木質(zhì)材料板、PVC板，切割薄板時(shí)速度很快。另外由于CO2激光器輸出的是連續(xù)激光，在切割時(shí)是三種激光切割機(jī)中切割斷面最光滑的。
主要市場(chǎng)定位：6～25mm的中厚板切割加工，主要針對(duì)大中型企業(yè)以及部分純對(duì)外激光切割加工企業(yè)。由于其激光器維護(hù)耗損大，主機(jī)耗電量大等無法克服因素，近年來受到光纖激光切割機(jī)的巨大沖擊，市場(chǎng)處于明顯萎縮狀態(tài)。
YAG（固體）激光切割機(jī)
YAG固體激光切割機(jī)具有價(jià)格低、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，但能量效率一般低于3%。目前產(chǎn)品的輸出功率大多在800W以下，由于輸出能量小，主要用于打孔和點(diǎn)焊及薄板切割。它的綠色激光束可在脈沖或連續(xù)波的情況下應(yīng)用，具有波長短、聚光性好特點(diǎn)，適于精密加工特別是在脈沖下進(jìn)行孔加工的情況，也可用于切削、焊接和光刻等。YAG固體激光切割機(jī)激光器的波長不易被非金屬吸收，故不能切割非金屬材料，且YAG固體激光切割機(jī)需要提高電源穩(wěn)定性和壽命。需要研制大容量、長壽命光泵激勵(lì)光源，采用半導(dǎo)體光泵可使能量效率大幅度增長。
主要優(yōu)點(diǎn)：能切割其他激光切割機(jī)無法切割的鋁板、銅板以及大多數(shù)有色金屬材料。機(jī)器采購價(jià)格便宜、使用成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單，大部分關(guān)鍵技術(shù)已被國內(nèi)企業(yè)所掌握。配件價(jià)格及維護(hù)成本低，且機(jī)器操作維護(hù)簡(jiǎn)單，對(duì)工人人員素質(zhì)要求不高。
主要市場(chǎng)定位：8mm以下切割。主要針對(duì)自用型中小企業(yè)和加工要求不是特別高的大多數(shù)鈑金制造、家電制造、廚具制造、裝飾裝潢、廣告等行業(yè)用戶，未來可能逐步取代線切割、數(shù)控沖床、水切割、小功率等離子等傳統(tǒng)加工設(shè)備。
光纖激光切割機(jī)
光纖激光切割機(jī)可以通過光纖傳輸，柔性化程度空前提高，故障點(diǎn)少、維護(hù)方便、速度快，在切割4mm以內(nèi)薄板時(shí)具有很大優(yōu)勢(shì)，但是受固體激光波長的影響，其在切割厚板時(shí)質(zhì)量較差。光纖激光器切割機(jī)波長為1.06μm，不易被非金屬吸收，故不能切割非金屬材料。光纖激光的光電轉(zhuǎn)化率高達(dá)25%以上，在電費(fèi)消耗、配套冷卻系統(tǒng)參數(shù)等方面光纖激光優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。根據(jù)國際安全標(biāo)準(zhǔn)，光纖激光由于波長短，對(duì)眼睛傷害很大，屬于危害最大的一級(jí)。出于安全考慮，光纖激光加工需要在全封閉的環(huán)境進(jìn)行。光纖激光切割機(jī)作為一種新興激光技術(shù)，普及程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如CO2激光切割機(jī)。
主要優(yōu)點(diǎn)：光電轉(zhuǎn)換率高、電力消耗少、能切割12mm以內(nèi)的不銹鋼板、碳鋼板，是這三種機(jī)器中切割薄板速度最快的激光切割機(jī)。割縫細(xì)小、光斑質(zhì)量好，可用于精細(xì)切割。
主要市場(chǎng)定位：12mm以下切割，尤其是薄板的高精密加工。主要針對(duì)加工精度及效率要求極高的廠家。估計(jì)伴隨著5000W及以上激光器的出現(xiàn)，光纖激光切割機(jī)最終會(huì)取代CO2大功率激光切割機(jī)的大部分市場(chǎng)。
激光切割方式
激光熔化切割
⑴激光熔化切割中，工件被局部熔化后借助氣流把熔化的材料噴射出去。因?yàn)椴牧系霓D(zhuǎn)移只發(fā)生在其液態(tài)情況下，所以該過程被稱作激光熔化切割。
⑵激光光束配上高純惰性切割氣體促使熔化的材料離開割縫，氣體本身不參與切割。
⑶激光熔化切割可以得到比氣化切割更高的切割速度。氣化所需的能量通常高于把材料熔化所需的能量。在激光熔化切割中，激光光束只被部分吸收。
⑷最大切割速度隨著激光功率的增加而增加，隨著板材厚度增加和材料熔化溫度增加而成反比例地減小。在激光功率一定的情況下，限制因素是割縫處的氣壓和材料的熱傳導(dǎo)率。
⑸激光熔化切割對(duì)于鐵制材料和鈦金屬可以得到無氧化切口。對(duì)于鋼材料來說，會(huì)產(chǎn)生熔化但不到氣化的激光功率密度，激光功率密度在104W/cm2～105W/cm2之間。
激光火焰切割
激光火焰切割與激光熔化切割不同之處在于其使用氧氣作為切割氣體。借助于氧氣和加熱后金屬之間的相互作用，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使材料進(jìn)一步加熱。對(duì)于相同厚度的結(jié)構(gòu)鋼，采用該方法可得到的切割速率比熔化切割要高。
另一方面，該方法和熔化切割相比切口質(zhì)量更差。實(shí)際上生成了更寬的割縫、明顯的粗糙度、增加熱影響區(qū)區(qū)域和更差的邊緣質(zhì)量。
⑴激光火焰切割在加工精密模型和尖角時(shí)是有缺陷的（有燒掉尖角的危險(xiǎn)）?？梢允褂妹}沖模式激光限制熱影響區(qū)。
⑵所用的激光功率決定切割速度。在激光功率一定的情況下，限制因素是氧氣的供應(yīng)和材料的熱傳導(dǎo)率。
激光氣化切割
激光氣化切割過程中，材料在割縫處發(fā)生氣化，此情況下需要非常高的激光功率。為了防止材料蒸氣冷凝到割縫壁上，材料厚度一定不要大大超過激光光束直徑，該加工因而只適合用在沒有熔化材料排出的情況下。該加工實(shí)際上只用于鐵基合金很小的使用領(lǐng)域。
該加工不能用于木材和某些陶瓷，這些材料通常要達(dá)到更厚的切口。
⑴激光氣化切割中，最優(yōu)光束聚焦取決于材料厚度和光束質(zhì)量。
⑵激光功率和氣化熱對(duì)最優(yōu)焦點(diǎn)位置有一定的影響。
⑶板材厚度一定的情況下，最大切割速度反比于材料氣化溫度。
⑷所需激光功率密度大于108W/cm2，取決于材料、切割深度和光束焦點(diǎn)位置。
⑸板材厚度一定的情況下。假設(shè)有足夠的激光功率，最大切割速度受到氣體射流速度限制。
激光加工過程
加工過程指激光光束、加工氣體和工件之間的相互作用。圖2所示為加工參數(shù)。
圖2 加工參數(shù)
切割過程
在進(jìn)行切割之前，激光必須將工件加熱到材料熔化和氣化所需的溫度。
切割平面由一個(gè)幾乎垂直的平面組成，該平面吸收激光輻射加熱并熔化。在激光火焰切割中，進(jìn)入割縫的氧氣流進(jìn)一步加熱熔化區(qū)，達(dá)到接近沸點(diǎn)溫度，產(chǎn)生的氣化把材料移走。同時(shí)借助加熱氣體，液化材料從工件下部排出。
激光熔化切割中，液化材料隨氣體排出，該氣體保護(hù)割縫以防氧化。連續(xù)的熔化區(qū)沿著切割方向逐漸滑移，因而得到一條連續(xù)割縫。激光切割過程許多重要活動(dòng)發(fā)生在該區(qū)域，對(duì)這些活動(dòng)的分析可以得到激光切割的重要信息，可以計(jì)算切割速度并解釋牽引線特性的形成。
材料特性
在工件上進(jìn)行切割的結(jié)果可能出現(xiàn)整潔的切口，或者相反，存在邊緣粗糙或過燒情況。
影響切割質(zhì)量最重要的因素有。
⑴合金成分。
合金成分在一定程度上影響著材料的強(qiáng)度、比重、可焊接性、抗氧化能力和酸性。鐵合金材料中的一些重要元素有碳、鉻、鎳、鎂和鋅等。
碳含量越高，材料越難切（臨界值認(rèn)為是含碳0.8%）。以下型號(hào)碳鋼用激光切割效果很好：St 37-2，StW 22，DIN 1.203。
⑵材料基本微觀結(jié)構(gòu)。
一般來說，組成材料的顆粒越細(xì)，切割邊緣質(zhì)量越好。
⑶表面質(zhì)量和粗糙度。
如果表面有生銹區(qū)域或氧化層，切割的輪廓將不規(guī)則并出現(xiàn)許多破損點(diǎn)；要切割波紋板，就選擇最大厚度切割參數(shù)。
⑷表面處理。
最常用的表面處理有鍍鋅、涂漆、陽極電鍍或覆蓋分層塑料膠片。用鋅處理過的板材易在邊緣出現(xiàn)掛渣。對(duì)于涂漆的板材，切割質(zhì)量依賴于所涂產(chǎn)品的成分組成。
有分層材料涂層的板材非常適合激光切割。為了使電容式探測(cè)無故障工作，讓分層涂層得到最優(yōu)粘合（避免產(chǎn)生浮泡），分層邊必須總是在切割工件的上部。
⑸光束反射。
光束在工件表面如何反射取決于基本材料、表面粗糙度和處理方式。一些鋁合金、銅、黃銅和不銹鋼板材具有高反射率特點(diǎn)。切割這些材料時(shí)，要特別注意調(diào)節(jié)好焦點(diǎn)位置。
⑹熱傳導(dǎo)率。
焊接時(shí)，低熱傳導(dǎo)率的材料和高熱傳導(dǎo)率的材料相比，需要更小的功率。比如對(duì)于鉻鎳合金鋼，所需的功率要小于結(jié)構(gòu)鋼，加工產(chǎn)生的熱吸收也更少。又比如銅、鋁和黃銅這些材料焊接時(shí)會(huì)散失掉一大部分吸收激光產(chǎn)生的熱，因?yàn)闊釓墓馐繕?biāo)點(diǎn)處傳導(dǎo)開了，所以熱影響區(qū)的材料更加難熔化。
⑺熱影響區(qū)。
激光火焰切割和激光熔化切割會(huì)導(dǎo)致切割材料邊緣區(qū)域發(fā)生材料變異。關(guān)于熱影響區(qū)域的范圍與基本材料厚度之間的關(guān)系，表1列出了一些參考數(shù)值。
表1 材料厚度與熱影響區(qū)域的關(guān)系
從表中可以了解：⑴加工低碳鋼或無氧鋼時(shí)，熱影響區(qū)淬火現(xiàn)象減少了；⑵高碳鋼（比如Ck60）會(huì)出現(xiàn)邊緣區(qū)域變硬現(xiàn)象；⑶硬軋鋁合金的熱影響區(qū)會(huì)比其余部分稍微軟一些。
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