切割行业的现状及未来前景

切割行业的现状及未来前景

现代切割技术

现代工业的发展，板材的消耗量越来越多，并且各种高力学、物理性能的材料不断增多，特别是硬脆材料应用增多。由于切割批量小、精度要求高，促使现代切割技术得到长

足发展。主要包括激光切割，等离子弧切割，超声切割，液体喷射切割等。

激光切割

概述

激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射处的材料迅速熔化、

气化、烧蚀或达到燃点，同时借助光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现割开工件

的一种切割方法。激光切割是现代切割技术中最具特色的切割技术。

随着被切材料和切割参数的不同，激光切割主要有以下三种方式：

1）气化切割。切口部分的材料以蒸气或渣的形式排出。是切割不熔化材料（如木材、

碳和某些塑料）的基本形式。

2）熔化切割。当被切材料的切口处受到较低功率密度的激光作用时，主要是发生熔

化。在气流作用下，切口料以熔融物质的形式由切口底部排出。

3）反应熔化切割，采用氧气或其他反应气体吹气，气体与被切材料产生放热反应，

在激光辐照之外，提供了另一个切割所需的能源。在吹氧切割钢板时大约切割所需能量的60%

是来自铁的氧化反应。

等离子弧切割的特点：

激光切割具有以下特点：

质量好。激光的光斑小、能量密度高，切速快，切口宽度窄，切割面光洁美观，

热影响小，热变形小。

）效率高。可实现高速切割，切割速度可达每分钟数米至数十米。

）柔性高。易实现自动控制，可切割任意形状、尺寸的板材。

）材料适应性好。几乎可切割任何金属和非金属材料。

激光切割可广泛用于各种材料（金属和非金属）的切割，涉及汽车、钢铁、石油、电

子电器、航天航空、医疗器械和一般制造业中各种板材切割。采用同轴吹氧工艺切割金属

材料，可提高切割速度和切口质量；切割纸张，木材等易燃材料时，可采用同轴吹保护气

体（二氧化碳、氩气、氮气等），能防止烧焦和切口缩小；切割陶瓷、玻璃、石英等脆性

材料时，采用热应力切割；对布料、纸张还可作分层切割。

激光切割工艺及参数

CO2气体连续激光切割工艺参数包括

激光功率。对切割厚度、切割速度和切口宽度影响大。

）辅助气体的种类和压力。切割低碳钢采用辅助气体，压力对切割效果影响明

显。

）切割速度。对切割质量有显著影响。

焦点位置。切割低碳钢把聚焦的光斑设在工件上表面。

焦点深度，对切割质量和切割速度具有一定的影响。

CO2脉冲切割可获得宽度窄而且均一的切口、垂直而光洁的切割面，但切割速度大大

低于连续激光切割，主要用于精细、高精度切割和脆性材料切割。

主要工艺参数：

激光平均输出功率、脉冲峰值功率，脉冲频率和脉冲持续时间（脉冲宽度）焦点位置

等。

等离子弧切割

等离子弧切割是利用高温、高速的等离子弧及其焰流使工件材料熔化、蒸发和气化并

被吹离基体的一种切割方法。

通常物质以气体、液体和固体三种状态存在。等离子体则是被称之为物质存在的第四

种状态。等离子体是高度电离的气体，是由气体原子或分子电离之后，离解成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子所组成。正、

负电荷数值相等，因此称为等离子体。

图3-26

为等离子弧切割原理示意

图。该装置由直流电源供电，钨电极接阴

极，工件接阳极。利用高频振荡或瞬时短

路引弧的方法，使钨电极与工件之间形成

电弧，电弧的温度很高，使工质气体的原

子或分子在高温中获得很高的能量，其电

子冲破了带正电的原子核的束缚，成为自

由的负电子，而原来呈中性的原子失电子

后成为正离子，这种电离化的气体，正负

电荷的数量仍然相等，从整体上看呈电中

性，称之为等离子体电弧（简称等离子弧）。在电弧外围不断地送入工质气体（如

氧、空气、氮、氢、氩水蒸气及某些混

合气体），回旋的工质气流还形成与电弧

柱相应的气体鞘，压缩电弧，使弧柱的导

电截面减小、电流密度和温度大大提高。

等离子弧之所以具有极高的能量密度是以机械压缩效应。电弧被迫通过喷嘴通道喷出时，通道对电弧产生机械压缩作用，

而喷嘴通道的直径和长度对机械压缩效应的影响很大。

）热收缩效应。喷嘴内部通入冷却水，使喷嘴内壁受到冷却，温度降低，因而靠近

内壁的气体电离度急下降，导电性差，电弧中心导电性好，电离度高，电弧电流被迫在电弧中心高温区通过，使弧的有效截面缩小，电流密度大大增加。这种因冷却而形成的电弧截面缩小作用，就是热收缩效应。一般高速等离子气体流量越大，压力越大，冷却愈充分，其热收缩效应愈强烈。

）磁收缩效应。由于电弧电流周围磁场的作用，迫使电弧产生强烈的收缩作用，使

电弧变得更细，电弧区中心电流密度更大，电弧更稳定而不扩散。

由于上述三种压缩效应的综合作用，使等离子体的能量高度集中，电流密度、等离子

气体的电离

弧的温度都很高，其温度达到11000-28000，（普通电弧仅5000-8000）气体电离度随之剧增，并以极高的速度（比声速还，约800-2000m/s）从喷嘴孔喷出，具有很大的动能和冲击力当达到金属表面时，可以释放出大量的热能，加热和熔化金属，并将

熔化了的金属材料吹除。

等离子弧切割的特点：

能切割氧气割难以切割的各种金属材料。

）切割厚度不大的金属时，切割速度快，尤其在切割碳素钢薄板时，速度可达气割

法的

5-6倍。

）切割面较光洁，热变形较小。

）切口宽度和切割面斜角较大，主要切割厚度有关。

）切割厚板的能力尚不及气割。

超声切割

超声切割是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中，产生磨料的冲击、抛展、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料。特别适合硬脆材料切割。

超声切割时，高频电源联接超声换

能器（参见图3-27，由此将电振荡转

移为同一频率、垂直于工件表面的超声机械振动，其振幅仅0.005-0.01mm

，以驱

再经变幅杆放大至0.05-0.1mm

动工具端面作超声振动。此时，磨料悬

浮液（磨料、水或煤油等）在工具的超

声振动和一定压力下，高速不停地冲击

悬浮液中的击碎成微粒和粉末。同时，

由于磨料悬浮液的不断搅动，促使磨料

高速抛磨工件表面，又由于超声振动产

生的空化现象，在工件表面形成液体空

腔，促使混合液渗入工件材料的缝隙里，

而空腔的瞬时闭合产生强烈的液压冲

击，强化了机械抛磨工件材料的作用，

并有利于加工区磨料悬浮液的均匀搅拌

和加工产物的排除。随着磨料悬浮液不

断地循环、磨粒的不断更新、切割产物

的不断排除，实现了超声加工的目的。

总之，超声切割是磨料悬浮液中的磨粒，

在超声振动下的冲击、抛磨和空化现象，

综合切割作用的结果。其中，以磨粒不

断冲击为主。由此可见，脆硬的材料，受冲击作用愈容易被破坏，故尤其适于

超声切割。