激光切割技术及其在机械加工中的应用

引言

在全球工业时代来临的背景下，机械制造行业发生了空前的变化。这种变革不仅仅体现在提高生产效率、提高产品质量方面，还体现在不断探索和应用新技术。激光切割是现代先进制造技术中的一项重要内容，因其高精度、高效率、柔性化等特点，在机械加工领域具有广阔的应用前景。

1 激光切割技术

激光切割是一种利用激光束在切割线上移动，利用激光束产生的热量将材料融化，然后将其切割成特定的形状。与其它切割方式相比，激光切割具有精度高、精度高、可达 0.05 毫米、工作效率高、切割速度可达 20 米 / 分以上。对于钢材，激光切割可以分为火焰切削、熔融切削和气化切削三大类。

火焰切割是一种常用的切削方法，它是以氧气为切削气，利用化学反应产生的大量热能，辅助激光束进行切割。在熔化切割中使用的切割气体是氮气或氩气，氮气与氩气是惰性气体，两者之间没有化学反应，主要作用是吹走激光束切割产生的熔渣，防止材料的边缘迅速氧化；气相切割通常采用超短脉冲激光对金属材料进行切割，其优点是能量高、材料在切割时快速升华、热效应小、切割时无毛刺等优点。

2 激光切割技术类型

激光切割技术的主要类型包括二氧化碳激光切割、光纤激光切割和紫外激光切割。CO2 激光切割是早期广泛采用的技术，以其对大多数材料的良好穿透力和适应性著称，功率可高达数万瓦，适用于大厚度板材的切割。然而，随着光纤激光切割技术的发展，由于其更高的电光转换效率和更小的光斑直径，它在精密加工领域逐渐占据优势，特别是在薄金属切割中，速度可以比 CO2 激光切割快上数倍。而紫外激光切割则适用于对热敏感和高精度要求的材料，如电子电路板和某些特种金属的切割，其波长更短，能更好地聚焦在微小细节上，但功率通常较低。

3 激光切割技术在机械加工中的应用

3.1 激光切割技术在金属材料的精密切割中应用

在激光切割技术的广泛应用中金属材料的精密切割是一个至关重要的领域。激光切割技术凭借其高精度和对复杂形状的处理能力，极大地提升了金属加工的精度和效率。例如，使用高功率光纤激光切割机，可以实现 ±0.01 毫米的切割精度，远超传统的机械刀具。这种精度对于制造精密零件，如航空航天领域的轻质合金结构件或医疗设备中的微型组件，至关重要。

在汽车制造业，激光切割技术也发挥了巨大作用。通过 CAD/CAM 系统设计的切割路径，激光切割机能够快速切割出高强度钢材和铝合金板材，用于制造高强度车身和轻量化部件。

此外，激光切割在处理薄金属材料时由于热影响区小，可以减少材料的变形，从而降低了二次加工的需求。

然而，金属精密切割也面临着挑战，如切割不同金属合金时需要调整激光参数，以及如何减少切割过程中的氧化和热影响。因此，持续的研发工作集中在优化激光器的波长、脉冲特性以及开发先进的冷却和气体保护系统，以适应更多种类的金属材料和更严格的切割要求。

3.2 激光切割技术在非金属材料的切割工艺中应用

激光切割技术在非金属材料的切割工艺中展现出了卓越的性能。传统的切割方法可能无法满足非金属材料对切割精度和边缘质量的高要求，而激光切割则以其独特的优点填补了这一空白。

在汽车内饰制造中激光切割机被用于切割皮革和织物，创造出无缝且具有复杂设计的内饰件。这种工艺不仅提高了切割速度，减少了废料，而且由于激光切割的边缘热影响极小，降低了对材料物理性能的影响。

在建筑和装饰行业，非金属材料如玻璃、石材和复合材料的切割同样受益于激光技术。例如，高功率的光纤激光器能够切割厚达 20mm 的玻璃，实现无裂纹、无热变形的切割效果，为建筑外观设计提供了更大的自由度。

在工艺品和广告制作领域，激光切割机可以轻松切割各种非金属材料，如木材、亚克力和塑料，创造出精细的图案和文字。这种工艺在个性化定制和小批量生产中尤其受欢迎，因为它允许快速地从设计到成品的转换，而无需复杂的模具制作过程。

综上所述，激光切割技术在非金属材料的切割工艺中扮演了至关重要的角色，通过提高切割精度、效率和材料利用率，推动了相关行业的创新和发展。

3.3 激光切割技术在机械模具制作中应用

激光切割技术的引进，对机械模具制造行业来说，无疑是一场革命。它以其高精度、高效率、非接触式加工方式和适用材料范围广等特点，对传统模具制造方式进行了颠覆。激光切割机是一种能根据设计图快速、细致地裁切金属和非金属材料的机器。无论面对复杂图形或复杂外形，采用激光切割技术都能游刃有余，确保模具的精度和一致性。这一技术所带来的高精度裁切，不但提高了模具的加工质量，而且大大缩短了生产周期，降低了生产成本。

3.4 激光切割技术在航空航天、汽车制造等行业中应用

在航空航天行业中激光切割技术已经成为制造高精度、复杂结构零部件的关键工艺。

在汽车制造领域，激光切割技术同样发挥着重要作用。某汽车在其 ModelS的生产过程中，采用了高功率的激光切割机，用于切割高强度钢材和铝合金，以构建其著名的高强度车体。这种技术能够快速切割薄壁材料，确保车身面板的无缝拼接和高强度要求，从而提升车辆的安全性和行驶性能。

4 结束语

综上所述，激光切割技术应用于机械加工领域，其基本原理是利用辅助气体对被加工对象进行激光切割，从而实现对被加工物体表面的激光熔化或汽化。虽然激光切割技术已经被广泛应用，但总体来说，它还是一种比较先进的技术，这得益于它独特的加工方式。目前，激光切割已经成为一种被广泛采用、技术较为成熟的加工方式，其应用范围越来越广、越来越深。各大型机械制造企业迫切需要将激光切割技术运用到机械零件的制造中，提高其加工质量与效率，提升其在市场中的竞争优势，为中国工业制造业的持续健康发展注入强大的动力。

参考文献：

[1] 王玉 . 高功率激光器技术与产业发展概述 [J]. 新材料产业，2022(2):47-50.

[2] 畅雪苹，王丹丹，王谦 . 浅析激光切割技术的应用 [J]. 汽车实用技术，2020(17):127-129.