动车相关激光切割技术对行业发展的推动作用

动车相关激光切割技术对行业发展的推动作用

迟绍恩  马阁

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东省 青岛市 266000

摘要：激光切割是激光加工行业中最重要的应用技术，也是激光加工中应用最早、使用最多的加工方法。它占整个激光加工行业的70%以上。与其他切割方法相比，激光切割最大的不同在于它具有高速、高精度和高适应性的特点。同时，它还具有切口精细、热影响区小、切割表面质量好、切割时无噪音、切口边缘垂直度好、切边平滑、切割过程易于自动控制等优点。它可以切割碳钢、不锈钢、合金钢、木材、塑料、橡胶、布料、应时、陶瓷、玻璃、复合材料等。激光切割板材时，不需要模具，可以取代一些需要复杂大型模具的冲压方法，可以大大缩短生产周期，降低成本。因此，激光切割已广泛应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器和电子、石油和冶金等行业。

关键词：激光技术；氧助熔化切割；切割性能；效率；成本；质量；自动化；

分析了氧助熔化切割碳钢时影响其切割性能的因素，以及切割时相比较其他传统加工方式的优越性。可以看出，激光切割具有切割速度快，成本低，切割产品质量良好，自动化程度高，切割材料种类多等优势。

一、激光切割机理

激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射材料表面，使照射处的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现割开材料的一种热切割方法。切割过程发生在切口的终端处一个垂直的表面，称之为烧蚀前沿。激光和气流在该处进入切口，激光能量一部分被烧蚀前沿吸收，另一部分通过切口或经过烧蚀前沿向切口空间反射。由于激光经过高度集中在很小的区域内，则能产生大量热量迅速融化材料且热量很难散发到材料的其他部分，形成变形很小的切口，从而激光切割实现了切割速度快质量高的加工技术，也是激光技术在现代工业中的主要应用和加工方法。

二、激光切割的分类

1.激光气化切割。利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸汽。这些蒸汽的喷出速度很大，在蒸汽喷出的同时，在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料（如纸、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。

2.激光熔化切割。激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体（Ar、He、N等），依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金等。

3.激光氧气切割（氧化熔化切割）。激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。它是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。

4.激光划片与控制断裂。激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，引起该区域大的热梯度,在脆性材料中产生局部热应力，导致严重的机械变形,使材料沿小槽断开而形成裂缝。

三、激光切割的优缺点

1.激光切割技术比其他方法的明显优点。（1）切割质量好。切口宽度窄（一般为0.1--0.5mm）、精度高（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。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）清洁、安全、无污染。大大改善了操作人员的工作环境。当然就精度和切口表面粗糙度而言，CO2激光切割不可能超过电加工；就切割厚度而言难以达到火焰和等离子切割的水平。但是就以上显著的优点足以证明：CO2激光切割已经和正在取代一部分传统的切割工艺方法，特别是各种非金属材料的切割。它是发展迅速，应用日益广泛的一种先进加工方法。（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。加工不同形状的零件，不需要更换“刀具”，只需改变激光器的输出参数。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切割比较，激光切割材料的种类多，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。但是对于不同的材料，由于自身的热物理性能及对激光的吸收率不同，表现出不同的激光切割适应性。

2.激光切割的缺点。激光切割由于受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，而且随着工件厚度的增加，切割速度明显下降。激光切割设备费用高，一次性投资大。

四、激光切割机发展趋势

1.高速、高精度激光切割机。由于大功率激光器光束模式的改善及32位微机的应用,为激光切割设备的高速、高精度创造了有利条件。

2.厚板切割和大尺寸工件切割的大型激光切割机。随着可用于激光切割激光器功率的增大,激光切割正从轻工业薄板的钣金加工向着重工业厚板切割方向发展。

3.三维立体多轴数控激光切割机。为了满足汽车、航空等工业的立体工件切割的需要,目前已发展了各种各样的五轴或六轴三维激光切割机,其最大加工工件尺寸可达3 600 mm3 600 mm600 mm,数控轴数达到九轴,加工速度快,精度高,在6 m2范围内加工误差仅在0.1 mm之内。在先进国家的汽车生产线上,激光切割机器人的应用愈来愈多。目前,三维激光切割机正向高效率、高精度、多功能和高适应性方向发展,其应用范围将会愈来愈大。

4.激光切割单元自动化和无人化。为了提高生产率和节省劳动力,目前激光切割正向着激光切割单元(FMC)和无人化、自动化方向发展。发展这种单元自动化系统,必须依赖于先进的自动控制、网络控制技术及计算机生产辅助管理系统技术等。国外已有各种各样的激光切割单元可供应市场,并有由6台大型激光切割机为核心组成的无人化的切割生产线在工厂运行。

5.紧凑型和组合一体化数控激光切割机。随着激光器体积的缩小和功率的增大,以及辅助装置的不断完善,出现了把激光器、电源、主机、控制系统和冷却水循环装置等紧密地组合在一起,形成占地面积小、功能完善的整套紧凑型激光切割机。此外,激光切割技术正与激光焊接、激光表面淬火等激光加工工艺组合,以发展一机多用,进一步提高设备的利用率。

总之，激光由于其众多的优点，越来越受到人们的重视，因此大力发展激光产业，可以极大地带动我国的生产力的进步，尤其是机械加工行业。伴随着我国加入WTO,中国潜在的巨大市场已向国外敞开,国外激光厂商纷纷把目光聚焦于中国市场。中国激光产业将经历一个嬗变的过程，我们必须采取切实有效的措施促进本国激光产业的发展。所以必须作好以下方面的工作:加强核心技术的培育。加大人才的引进。疏通融资渠道。加强区域内同行业的联盟。

参考文献;

[1]李建祥.激光切割技术.2020.

[2]卢英伟.动车相关激光切割技术对行业发展的推动作用探讨.2022.