激光切割金属的工艺探索
工 业 技 术
Q蛆 Q：
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激光切割金属的工艺探 索
王红俐
(广东省韶关市高级技工学校 广东韶关 51 2026)
摘 要 ：本文Ji要介绍YAG脉冲激光切割机的工作机理 ，重点探索激光功丰，焦距．辅助气流．切割速度等工艺参数对切割效果
的 影 响 。
关键词：YAG脉冲激光 激光切割工艺
中图分类号：TN24 文献标识码：A 文章编号：1674—09SX(2009)07(c)-0055—02
激光技术是 20世纪的伟大发明之一，自
1960年第一台激光器问世以来，固体激光器
(Nd：YAG等 )、气 体激 光 器 、半导 体
激 光 器 、准分 子 激光 器 陆续 诞生 ?。激 光 器
不同于普通的光源，它具有 良好的单色性和
相干性，很好的方向性 、极高的能量密度 ，
这些特点使得激光广泛地应用于各类机械加
工领 域 ，例如 ，激 光切割 、焊接、打孔 、
标刻等 。以激光为 “刀具 ”的激光切割机
比传统的各类切割机床有明显的优势。
激光功率高，切 IZl质量好 ：激光束是高
能量密度的热源 ，其功率 密度高达 l0 1 3
W／cm ，比电弧高几个数量级【 。激光通过
光 学聚 焦后光 斑直 径可 达 0．1～0．5mm，功
率密度更高；使被加工金属瞬间汽化而被切
割。切割低碳钢 ，切口宽度可小于 0．1～0．
2mm；切割面表面粗糙度只有十几微米；切
割零件的精度可达 士0．05ram。因此，激光
切割的零件因切口质量好 ，经常无需机械加
工 ， 直 接 使 用 。
输入热量小，材料变形小、材料性能受
影响小 ：由于激光束的功率密度极高，切割
时热影响区宽度很小 ，对薄板一般 只有 0．
O1～0．1mm，切 IEI附近材料变形很小，性
能 几 乎 不 受影 响 。
加工柔性好 ，切割效率高 ：激光可通过
光线或光学镜片传导 ，切割过程可全部实现
数控 ，能够切割任意形状的零件，既可作二
维 、 又 可 作 三 维 切 割 。
切割作用力小 ，装卡 简单 、不换 “刀
具”：激光束在材料表面游走 即实现切割功
能 ，工件装卡简单 、甚至不需 要装卡。激
光切割不同于机械切割 ，没有工具的磨损 ，
只需 改 变激 光 器 的参 数 。
激光切割的优势 ，是非常诱人 的。
1激光切割机的原理
激光切割机的组成 ：激光切割通常由计
算机系统 ，激光控制 电气系统 、激光发生
器 、聚焦单 元、工作 台控制单元 、三维工
作台组成 ；还需 要外 接辅 助气体。
计算机系统是控制的中枢 ，它负责产生
切割 图形，设置激光功率 、激光脉冲宽度、
激光脉 冲频率 、切割速度等切割工艺参数；
图 1激光切割机结构示意图
表 1 2mm厚不锈钢板三种切割方式效果对比
表2 不同辅助气体对 2ram厚不锈钢板汽化切割效果的影响
计算机系统依据切割的图形和切割速度等工
艺的需要，向激光控制电气单元和工作台控
制单元发出控制指令 。
对于带切割的图形 ，有切割的 “笔画”
时，激光控制电气单元按接受的指令控制激
光发生器，使发生器输出相应激光功率、脉
冲宽度、重复频率的激光束，激光束经激光
聚焦单元聚焦后作用在工件上 ；无切割的
“笔画”时，激光控制 电气单元按接受的指
令 “关闭 ”激 光发生器输 出。与此 同时 ，
工作台数控单元按接受的指令，根据图形的
形状控制三维工作台 x向、Y向的运行轨
迹 ，根据设置的切割速度、并与激光器输出
动态配合，控制三维工作台沿 X向、Y向移
动速度 ，如此能割 出计算机所绘制的任何图
形 。
计算机控制三维空作台沿 Z向移动，可
以使工件表面处于聚焦单元的焦平面或者焦
距 的 合 适 位 置 。
2激光切割金属的机理 ：
根 据在 切割 金属 过程 的作 用 ，激光 切割
分为汽化切割、熔化切割、气体反应切割吲
三 种 切 割 方 式 ：
(1)激光汽化切割 ：在高能量密度激光束
作用下 ，材料 瞬间达 到熔 点、汽化 ，蒸气
喷出速度很大，在材料蒸气喷出同时形成切
口 。
(2)激光熔化切割 ：激光加热使材料熔
化，通过 与光束同轴的喷嘴喷出高压气体。
将液态金属排出形成切 口。
(3)激 光 氧 气 切 割 ： 激 光 只 是 作
为 预 热 热 源 ，应 用 高 压 氧 气作 为 切 割
气体 ， 氧 气 与 金 属 反 应 并 放 出 大 量 反
应 热 ， 高 压 氧 气 将 熔 融 氧 化 物 和 熔 化
物 从 反 应 区 吹 出 ， 形 成 切 ICl。
(4)激光汽化气吹综合切割：在激光汽化
切割的基础上，用辅助气体 (惰性气体或氮
气 )协助熔 化物吹 出 。
3激光切割金属工艺探索
我们 用某 公司 的 RX—l激光 切割 机切 割
不锈钢，对激光切割金属的工艺做了以下探
索 。
3．1切割方式对断口的影响
通过激光控制电气单元设置不同的激光
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电源输 出功率 ，进而设 置不 同激光输 出功
率 ，切割。对 比激光汽化切割 、激光熔化
切割 、激光氧气切割三种方式切割的切割效
果 ：
切割不锈钢板材时 ，提高激 光电源功
率，加大激光束的能力密度 ，采用激光汽化
切割效果最好 。而熔化切割因能量密度低 ，
高压氩气吹走熔化物速度较慢，切割效果次
之 ，氧气切割因氧化过程 、及氧化物和熔化
物吹走速度影响，切割效果最差。
3．2气体类型对汽化切割的影响
加大激光能量密度，采取汽化切割方式
切割 2ram 厚不锈 钢板 ，切割 时分 别施加 相 同
压 力 的 氩 气 、氮 气 、氧 气 、压 缩 空 气 ，气
流通过喷嘴吹响切割处 ，对比切割效果 ：
对于激光气化切割 ，通适量的辅助性保
护气体 ，既有助吹走汽化金属 ，又保护金属
与氧气反应 ，因而通氩气 、氨气切 口效 果
好 ，且切割速度提高 ；而因压缩空气、氧
气与金属反应 ，故切割效果变差。氮气比氩
气更经济，激光汽化切割选用氮气作辅助气
体为 好 。
3．3辅助气体压力 (流量)对汽化切割效果
的影响
采用相同的能量密度以激光气化方式切
割 ，用氮气作辅助气体 。当氨气流量较小
时 ，因其辅助气吹的效果有限，对切割的效
果改善很少 ，当氮气流量适量时 ，对切割端
口效果 、切割速度有改善 ；氮气流量较大
时，因较快地带走过多热量 ，影响金属汽化
效果 ，切割效 果变差 。
4结语
采用激光切割金属较传统的切割工艺上
有明显的优势，有广阔的应用前景 ，其工艺
值得进一步的探索。切割金属时，激光汽化
切割的效果比激光熔化切割、激光氧气切割
效 果 好 ；采 用 激 光 汽 化 切 割 方 式 切 割 金 属
时 ，用适量的氮气作辅助气体切割效果更
好 。
参考文献
工 业 技 术
【l】蓝信钜 ．激光技术．科学出版社 ，2000年 8
月 ．
【2】李志远，钱乙余，张九海．先进连接方法．机
械工业出版社，2000年 6月．
【3】李志远，钱乙余，张九海．先进连接方法．机
械工业出版社。2000年 6月 ．
(上接 54页 )
条线路开关跳闸，防止因误操作造成联络线
开关跳闸 ，致使 系统解列，此时堡城 1101、
堡双 l102两条线路的电气量信号就是重要的
判 别 依 据 。
3)当频率先后下降到不同幅度时 ，应制
定相应的策略成批的切除某几条线路。切除
负荷时 ，要留有一定的裕度 。适当得多切除一
些负荷(因为有功不足时，频率呈下降的趋势，
多切除一些负荷后，有功过剩频率会呈上升的
趋 势 ，恢 复更快 )。
4)一旦出现出力不足造成频率下降的情况
时 ，稳控装置多采取切除负荷的策略 ，单从
负荷方面考虑问题 ；其实我们完全可以从出
力和负荷两方面综合地考虑问题。如果我们
能在快速高效切除负荷的同时 ，适时地投入
备用电源 ，使出力和负荷更迅速地平衡 ，那
么我想 在事 故处理 中可能会取得更佳的效
果 。
3稳控装置在上海电网中的应用前景展望
3．1美加大停 电对上海电网二次系统发展的启
示
2003年 8月，美国、加拿大电网发生史
无前例的大停 电，损失负荷达 6l800Mw ，
5000万人的生活受到影响，事故原因虽然众
说纷芸 ，但有一点是可以肯定的，继 电保护
和安全装置没有发挥应有的作用 ，将事故迅
速隔离。这次大停电事故影响巨大，教训发
人深 省 ：除 了拥有 一个 优化 、坚 强的 一次 网
架和 电源配置外 ，还必须有一个装置优化、
正确动作的二次系统 。上海电网二次系统的
发展应该从这次事故中吸取教训 ，积极采取
应 对措施 。
3．2上海电网小系统
目前，上海电网主要有高桥热电厂 、崇
明及长兴等地区小系统。这些小系统是上海
电网的一个重要组成部分 ，大多位于负荷中
心 ，负荷密度较高，通常以较低一级电压等
级接入系统 ，再通过联络变压器并入较高一
级 电压的主干网架 ，与系统联系相对薄弱，
小系统中发电出力与地区负荷之间一般都难
以平衡 ，通常负荷远大于出力 ，若发生小系
统解列 ，将难以维持正常频率 ，一旦小系统
崩溃，就会使市区发生大范围的停电事故 ，
社会影响极坏。所以在主架 日益加强的今
天 ，合理利用安全 自动装置，确保小系统安
全稳定运行 ，具有重要意 义。
为保证小系统的安全稳定运行，为提高
电网自动化水平和运行管理水平 ，建议今后
逐步改造为具有数据记录和录波功能的智能
型微机安全 自动装置 。
4结论
为保证崇明电网的安全，有必要对中双
港变电站原有配置的稳定控制装置进行技术
改造 上海经济的高速发展，对电网安全运
行 的要 求将越来越高 ，而 电网分 层分 区运
行 ，区外来电比例的增加 ，又将给电网的安
全稳定运行带来一系列新的困扰。因此 ，稳
定控制装置等安全 自动装置将被广泛应用。
参考文献
[1】水利电力部西北电力设计院编．电力工程
电气设计手册 ．中国电力出版社 ．
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【2】何仰赞，温增银，等合编．电力系统分析．华
中理工大学出版社．
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