激光切割经过50年的发展，在现代工业生产中，激光切割更被广泛应用于钣金、塑料、玻璃、陶瓷、半导体以及纺织品、木材和纸质等材料加工。作为激光业内人士，你必须知道的激光切割原理、切割工艺基础知识，下面我们一起学习。

　　激光切割

　　当聚焦的激光束照到工件上时，照射区域会急剧升温以使材料熔化或者气化。一旦激光束穿透工件，切割过程就开始了：激光束沿着轮廓线移动，同时将材料熔化。通常会用一股喷射气流将熔融物从切口吹走，在切割部分和板架间留下一条窄缝，窄缝几乎与聚焦的激光束等宽。

　　火焰切割

　　火焰切割是切割低碳钢时采用的一种标准工艺，采用氧气作为切割气体。氧气加压到高达6bar 后吹进切口。在那里，被加热的金属与氧气发生反应：开始燃烧和氧化。化学反应释放大量的能量（达到激光能量的五倍）辅助激光束进行切割。

图1 激光束熔化工件，切割气吹走切口中的熔融材料和熔渣

　熔化切割

　　熔化切割是切割金属时使用的另一种标准工艺。也可以用于切割其他可熔材料，例如陶瓷。

　　采用氮气或者氩气作为切割气，气压 2-20 bar 的气体吹过切口。氩气和氮气是惰性气体，这意味着它们不和切口中的熔化金属发生反应，仅仅将它们向底部吹走。同时，惰性气体可以保护切割边缘不被空气氧化。

　　压缩空气切割

　　压缩空气同样可以用来切割薄板。空气加压到 5-6 bar 就足以吹走切口中的熔融金属。由于空气中接近 80% 都是氮气，因此压缩空气切割基本上属于熔化切割。

　　等离子体辅助切割

　　如果参数选择恰当，等离子体辅助熔化切割切口中会出现等离子体云。等离子体云由电离的金属蒸气和电离的切割气组成。等离子体云吸收 CO2 激光的能量并转化进工件，使更多的能量耦合到工件，材料会更快熔化，从而使切割速度更快。因此，这种切割过程也叫高速等离子体切割。

　　等离子体云事实上相对于固体激光是透明的，因此等离子体辅助熔化切割只能使用 CO2激光。

图2 等离子体辅助切割

气化切割

　　气化切割将材料蒸发，尽可能减小了对周围材料的热效应影响。采用连续 CO2 激光加工蒸发低热量、高吸收的材料就可以达到上述效果，例如薄的塑料薄膜以及木材、纸、泡沫等不熔化的材料。

　　超短脉冲激光使这项技术可以应用于其他材料。金属中的自由电子吸收激光并剧烈升温。激光脉冲不与熔融的粒子和等离子体反应，材料直接升华，没有时间将能量以热量的形式传给周围材料。皮秒脉冲烧蚀材料时没有明显的热效应，没有熔化和毛刺形成。

图3 气化切割：激光使材料蒸发，燃烧。蒸气的压强使熔渣从切口排出

参数：调整加工过程

　　许多参数影响激光切割过程，其中一些取决于激光器和机床的技术性能，而另一些是变化的。

　　偏振度

　　偏振度表明多少百分比的激光被转换。典型的偏振度一般在 90% 左右。这对于高质量的切割已经足够了。

　　焦点直径

　　焦点直径影响切口宽度，可以通过改变聚焦镜的焦距改变焦点直径。更小的焦点直径意味着更窄的切口。

　　焦点位置

　　焦点位置决定了工件表面上的光束直径和功率密度以及切口的形状。

图4 焦点位置：工件内部，工件表面和工件上方

　激光功率

　　激光功率应和加工类型、材料种类和厚度相匹配。功率必须足够高以至于工件上的功率密度超出加工阈值。

图5 更高的激光功率可以切割更厚的材料

　工作模式

　　连续模式主要用于切割毫米到厘米尺寸的金属和塑料的标准轮廓。而为了熔化穿孔或者产生精密的轮廓，则采用低频的脉冲激光。

　　切割速度

　　激光功率和切割速度必须互相匹配。太快或者太慢的切割速度都会导致粗糙度的增加和毛刺的形成。

图6 切割速度随着板材厚度增加而降低

喷嘴直径

　　喷嘴的直径决定了从喷嘴中喷出的气体流量和气流形状。材料越厚，气体喷流的直径也要越大，相应地，喷嘴口的直径也要增大。

　　气体纯度和气压

　　氧气和氮气经常用作切割气体。气体的纯度和气压影响切割效果。

　　采用氧气火焰切割时，气体纯度需达到 99.95 %。钢板越厚，采用的气体气压越低。

　　采用氮气熔化切割时，气体纯度需要达到 99.995 %（理想情况是 99.999 %），熔化切割厚钢板时需要更高的气压。

　　技术参数表

　　在激光切割早期，使用者必须通过试运转自行决定加工参数的设置。现在，成熟的加工参数被存储在切割系统的控制装置中。对于每一种材料类型和厚度，都有对应的数据。技术参数表使得即使不熟悉这种技术的人也能顺利操作激光切割设备。

　　激光切割质量评价因素

　　有许多判定激光切割边缘质量的标准。像毛刺形式、凹陷、纹路等标准可以用肉眼判定；垂直度、粗糙度和切口宽度等则需要采用专用仪器来测量。材料沉积、腐蚀、热影响区域和变形也是衡量激光切割质量的重要因素。

图7 好的切割，坏的切割。评价切割边缘质量的标准

蛙跳

1蛙跳是激光切割机的空程方式。如下图所示，切割完孔1，接着要切割孔2。切割头要从点A移动到点B。当然，移动过程中要关闭激光。从点A到点B之间的运动过程，机器“空”跑，称为空程。

早期的激光切割机的空程如下图所示，切割头要次第完成三个动作：上升（到足够安全的高度）、平动（到达点B的上方）、下降。

压缩空程时间，可提高机器的效率。如果将次第完成的三个动作，变为“同时”完成，可缩短空程时间：切割头从点A开始向点B移动时，即同时上升；接近点B时，同时下降。如下图所示。

切割头空程运动的轨迹，犹如青蛙跳跃所画出的一条弧线。

在激光切割机的发展过程中，蛙跳算得上一个突出的技术进步。蛙跳动作，只占用了从点A到点B平动的时间，省却了上升、下降的时间。青蛙一跳，捕捉到食物；激光切割机的蛙跳，“捕捉”到的是高效率。如果激光切割机现在还不具备蛙跳功能，恐怕就不入流了。

自动对焦

切割不同材料时，要求激光束的焦点落在工件截面的不同位置。如下图所示

因此，就需要调整焦点的位置（调焦）。早期的激光切割机，一般采用手动调焦方式；当下，许多厂商的机器都实现了自动调焦。

可能有人会说，改变切割头的高度就好了，切割头升高，焦点位置就高，切割头降低，焦点位置就低。没有这么简单。

如下图所示，切割头底部为喷嘴。在切割过程中，喷嘴与工件之间的距离（喷嘴高度）约0.5～1.5mm，不妨看作是一个固定值，即喷嘴高度不变，所以不能通过升降切割头来调焦（否则无法完成切割加工）。

聚焦镜的焦距是不可改变的，所以也不能指望通过改变焦距来调焦。如果改变聚焦镜的位置，则可改变焦点位置：聚焦镜下降，则焦点下降，聚焦镜上升，则焦点上升。——这确是调焦的一种方式。采用一个电机驱动聚焦镜作上下运动，可以实现自动调焦。

另一种自动调焦的方法是：在光束进入聚焦镜之前，置一变曲率反射镜（或称可调镜），通过改变反射镜的曲率，改变反射光束的发散角度，从而改变焦点位置。如下图所示。

有了自动调焦功能，可显著提高激光切割机的加工效率：厚板穿孔时间大幅缩减；加工不同材质、不同厚度的工件，机器可自动将焦点快速调整到最合适的位置。

自动寻边

如下图所示，当板料放到工作台上时，如果歪斜，切割时可能造成浪费。如果能够感知板料的倾斜角度和原点，则可调整切割加工程序，以适合板料的角度和位置，从而避免浪费。自动寻边功能应运而生。

启动自动寻边功能后，切割头从P点出发，自动测得板料两垂直边上的3点：P1、P2、P3，并据此自动计算出板料的倾斜角度A，以及板料的原点。

借助自动寻边功能，省却了早先调整工件的时间——在切割工作台上调整（移动）重达数百公斤的工件不是件易事，提升了机器的效率。

一台技术先进功能强大的高功率激光切割机，是光、机、电一体化的复杂系统。细微之处，往往隐藏奥妙。让我们一起来窥探其奥妙。

4.集中穿孔

集中穿孔，也称预穿孔，是一种加工的工艺，并非机器本身的功能。激光切割较厚板材时，每一轮廓的切割加工都要经历两个阶段：1.穿孔、2.切割。

集中穿孔加工工艺（完成所有轮廓的穿孔→回到起点→切割所有轮廓），与常规加工工艺相比，集中穿孔时，机器的运行轨迹总长是增加了的。那为什么还要采用集中穿孔呢？

集中穿孔可避免过烧。厚板穿孔过程中，在穿孔点周围形成热量聚集，如紧接着切割，就会出现过烧现象。采用集中穿孔工艺方式，完成所有穿孔、返回起点再切割时，由于有充分的时间散热，就避免了过烧现象。

集中穿孔可提高加工效率。目前，仍有许多激光切割机不具备自动调焦的功能。加工厚板，穿孔、切割两个阶段的工艺参数（激光模式、功率、喷嘴高度、辅助气体压力等）是不同的。穿孔过程中喷嘴高度要高于切割过程。如果采取常规的加工工艺（轮廓1穿孔→轮廓1切割→轮廓2穿孔→轮廓2切割→……），为了保证切割质量和效率，激光束的焦点只能按照切割的需要人工调定到最佳位置（试想如果是这样：一开始，将焦点人工调定到穿孔所需要的位置，穿孔；然后，再将焦点调到切割所需要的位置，切割；再调到穿孔位置，穿孔；……；直至加工完成——这简直是恶梦）。因此，穿孔时的焦点就必定不在最佳位置，穿孔时间也就较长。但是，采取集中穿孔方式，就可先将焦点调整到适合穿孔的位置，待穿孔完成后，使机器暂停，再将焦点位置调整到切割所要求的最佳位置；这样，穿孔时间可缩短一半以上，大大提升效率。当然，如必要，还可在集中穿孔和切割中间调整或改变其他工艺参数（比如可使用空气＋连续波进行穿孔，而使用氧气进行切割，中间有足够的时间完成气体的切换）。我们一般把驱动聚焦镜自动变焦称作F轴；像这样采用手动变焦进行集中穿孔、切割，是不是可以叫做“H”（Hand）轴“变焦”呢？

集中穿孔也有风险。如果在切割过程中发生碰撞，致使板材位置变动，则尚未切割的部分可能报废。集中穿孔工艺需要自动编程系统的帮助。

桥位（微连接）

行激光切割加工时，板料被锯齿状的支撑条托住。被切割下来的零件，如果不够小，不能从支撑条的缝隙中落下；如果又不够大，不能被支撑条托住；则可能失去平衡，翘起。高速运动的切割头可能与之发生碰撞，轻则停机，重则损坏切割头。

利用桥位（微连接）切割工艺，可避免发生此种现象。在对图形进行激光切割编程时，有意将封闭的轮廓，断开若干处，使得切割完成后零件与周围的材料粘连在一起，不致掉落，这些断开处，就是桥位。也称为断点，或微连接（这种叫法源自对MicroJoint的生硬翻译)。断开的距离，约0.2～1mm，与板料的厚度成反比。基于不同的角度，有了这些不同的叫法：基于轮廓，断开了，所以叫断点；基于零件，与母材相粘连，所以叫桥位或微连接。

桥位将零件与周围材料连在一起，成熟的编程软件，可根据轮廓的长度，自动加上合适数量的桥位。还能区分内外轮廓，决定是否加桥位，使不留桥位的内轮廓（废料）掉落，而留桥位的外轮廓（零件）与母材粘连在一起，不掉落，从而免去分拣的工作。

共边切割

如果相邻的零件轮廓是直线，且角度相同，则可以合为一条直线，只切割一次。此即共边切割。显而易见，共边切割减少了切割长度，可显著提高加工效率。

共边切割并不要求零件的外形是矩形。如下图。

广阔的前景

　　激光切割的持续成功，是其他大多数加工难以企及的。这种趋势今天仍在继续。在未来，激光切割的应用前景也将越来越广阔。