部分切割应用需要借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物。同轴辅助吹气切割过程示意图如图1所示。当切割过程发生在切口终端处一个垂直的表面,称为烧蚀前沿。激光和气流在该处进入切口,激光能量一部分为烧蚀前沿所吸收,一部分通过切口或经烧蚀前沿向切口空间反射
20世纪70年代,应用于激光切割的激光源以二氧化碳(CO2)激光器为主。90年代,大功率钇铝石榴石(Nd:YAG)激光也在切割中得到应用。进入21世纪后,光纤激光器出现,比相同功率密度的CO2激光切割更加快速,使之成为激光切割应用的主体激光器。根据激光与材料的相互作用机理,激光切割可分为汽化切割、熔化切割、反应熔化切割和控制断裂切割4类工艺。①汽化切割。高激光功率密度激光作用下,材料还来不及熔化已超过材料沸点,材料瞬间汽化而被去除。汽化过程中,约40%的材料汽化为蒸气逸走,而60%左右的材料则是以熔滴形式被气流驱除。②熔化切割。熔化型激光切割的激光功率密度必须大到足以在材料表面产生匙孔,但其熔化物不是靠汽化过程清除,而是另外用辅助气流吹除。气体喷嘴常与激光束同心,这种切割方式不存在蒸气对激光束的反射与吸收问题。该方法最初主要应用于不能与氧发生放热反应的材料。随着激光技术的发展,此工艺已成为不锈钢、铝合金、钛合金等材料切割的主要方法,其特点是切口光洁度高,再铸层小,使用大于1.2MPa惰性气体或不活泼气体作为辅助气体。③氧化熔化切割。利用激光束将材料加热到燃点,用能与材料发生放热反应的氧气作为辅助气体,产生化学反应,放出的热量为切割提供额外能量。在切割低碳钢时,钢在纯氧中燃烧所放出的能量占全部热量的60%,因此这种方法所需激光能量只有汽化切割的1/20。④控制断裂切割。控制断裂切割是通过激光束加热,把易受热破坏的脆性材料高速、可控地切断。这种切割原理可概括为:激光束加热脆性材料小块区域,引起热梯度和随之而来的严重机械变形,使材料形成裂缝。控制断裂切割的速度快,只需很小的激光功率;功率太高会造成工件表面熔化,并破坏切缝边缘。目前国外应用该项技术切割汽车工业等使用的钢化玻璃非常成功。
在激光切割过程中,一般激光切割时,切割零件的尺寸精度主要取决于切割设备的数控工作台的机械精度和控制精度。在脉冲激光切割加工中,采用高精度的切割装置与控制技术,尺寸精度可达微米量级。在连续激光切割时,零件的尺寸精度通常在±0.2毫米,个别的达到±0.1毫米。影响激光切割质量的工艺参数很多,但主要包括激光切割速度、焦点位置、辅助气体、压力和激光加工功率等。
激光切割是激光加工中应用非常广泛的激光加工技术,与其他材料切割方法相比,激光切割优势在于:①切缝窄,节省材料,还可切割未穿透的盲槽;②可实现高速切割,热影响区小,工件变形小;③非接触加工,无刀具磨损;④切缝边缘垂直度好,切边光滑;⑤切边无机械应力,无切屑,切割石棉、玻璃纤维时尘埃极少;⑥可实现多工位操作,易于数控或计算机控制。激光切割可应用于以下几类金属材料,包括碳钢、不锈钢、合金钢、铝合金、钛合金、铜合金、高温合金等。也可应用于非金属材料,如陶瓷、石英、玻璃、木材、塑料、橡胶、纸、布料及纤维等。航空领域激光切割将更多的应用于复合材料,尤其是轻质纤维聚合体复合材料。