激光切割技术在节能减排中的应用和发展

激光切割将激光束照射到工件表面时释放的能量来使工件熔化并蒸发，以达到切割的目的。

激光切割共有三类：激光熔化切割，激光火焰切割，激光气化切割。在激光熔化切割中，工件被局部熔化后借助气流把熔化的材料喷射出去。因为材料的转移只发生在其液态情况下，所以该过程被称作激光熔化切割。激光火焰切割与激光熔化切割的不同之处在于，使用氧气作为切割气体，借助于氧气和加热后的金属之间的相互作用，产生化学反应使材料进一步加热。由于此效应，对于相同厚度的结构钢，采用该方法可得到的切割速率比激光熔化切割要高。在激光汽化切割过程中，材料在割缝处发生汽化，此情况下需要非常高的激光功率。

激光切割具有以下优点：

（1）切割质量好。切口宽度窄（一般为0.1～0.5mm）、准确度高（一般孔中心距误差0.1～0.4mm，轮廓尺寸误差0.1～0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般Ra为12.5～25μm），切缝一般不需要再加工即可焊接。

（2）切割速度快，生产效率高。例如采用2kW激光功率，8mm厚的碳钢切割速度为1.6m/min，2mm厚的不锈钢切割速度为3.5m/min，热影响区小，变形极小。

（3）操作简单，劳动强度低，清洁、安全、无污染，大大改善了操作人员的工作环境。

（4）非接触式切割。激光切割时，割炬与工件无接触，不存在工具的磨损，激光切割过程噪声低、振动小、无污染。

（5）切割材料的种类多。与氧乙炔切割和等离子弧切割比较，激光切割的材料种类多，包括金属、非金属、金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维等。

（6）自动化程度高，可实现切割自动排样、套料，提高了材料利用率，生产成本低，经济效益好。

激光切割作为一种节能减排效果显著的新工艺技术，应用最广泛的领域是汽车车身设计及制造，主要用于开发新车型、在线切割、变形车生产等。例如，切割样车零件，车身覆盖件的切孔、修边，切割方向 盘孔、车身挡风板、车顶盖支架孔、安全气囊部件、液压成形部件等。目前，激光切割节能降耗的研究方向集中在发生器搭载型激光切割机和光纤激光切割机等领域。(www.xing528.com)

7.2.1 发生器搭载型激光切割机

发生器搭载型激光切割机的基本构成如图5-59所示。该设备装备有高输出功率的激光发生器，且有效切割范围大，可平稳切割厚板，具有坡口切割功能。其中，高功率激光发生器多采用输出功率为2～6kW的CO₂激光发生器。日本FANUC公司生产的新型激光发生器待机消耗的电力节省45%，可节约被切割材料安放调试时间和切割完成后产品取出所花费时间上的电力消耗，能大幅降低使用成本。

图5-59 发生器搭载型激光切割机的基本构成

7.2.2 光纤激光切割机

目前，激光切割使用较多的是大功率CO₂气体激光。最近，开始使用光纤激光代替CO₂气体激光。对于薄板切割，光纤激光切割机在欧美市场开始大量使用，如图5-60所示。

图5-60 光纤激光切割机

光纤激光与CO₂气体激光相比有以下优点：①波长比CO₂气体激光的波长短，切割材料的吸收率高、切割速度快、穿孔时间短、生产效率高；②CO₂气体激光从发生器中输出的光束由反射镜等光学部件传 送到加工点，而光纤激光因为使用光纤传送，机械构造简单；③运行和维护成本低。光纤激光因为振荡效率高，与CO₂气体激光相比用电少，5kW级别的发生器约为CO₂气体激光耗能1/3。且不使用激光气体，无需定期更换零件，也不用清洗、保养光学零件，减少使用成本。随着科技发展和光纤切割机性能的不断改进，在中厚板切割领域也逐步开始应用。