削铁如泥的激光切割（激光切割削铁如泥）

灵魂拷问—你眼中的激光是什么样子的？

是打小怪兽的“奥特激光“？（动感光波，BIU BIU BIU BIU~~）

还是五彩斑斓、绚丽夺目的舞台灯光？（好夺目，好炫彩~~）

在当代科幻类影视剧里，你可能更经常看到下面这样的场景——

（事先声明，咱不评价任何一部电影，只是看里边的镜头）

电影《上海堡垒》中，外来入侵者利用高能激光束，轻而易举地切割开了厚厚的金属墙。

电影《蜘蛛侠·英雄归来》中，无人机携带的微型激光发射器也能发射出高能激光束，博物馆厚厚的门在它面前似乎没有任何“反抗能力”。

看到这里你也许会发现，激光真的是可甜可盐。

在工业社会，面对厚厚的金属墙也“毫不客气”、切之而后快的工具并不是常见的“刀枪剑戟 斧钺钩叉 闲棍槊棒 鞭锏锤抓”，而是一束激光，这束光作用于金属之后，能迅速、准切地切开它们。

Bingo！影片里情节设计所依据的正是“激光切割”技术。

我们都知道“火能克金”，小伙伴是否已经好奇了——什么是激光切割？这束高能激光，到底是有多高的能量？

激光切割的原理

就是它字面的意思，激光切割就是一种利用经聚焦的高功率密度激光束切割材料的技术。而且，激光切割属于热切割的一种。为什么这么说？让我们详细了解一下激光切割的原理。

激光切割系统是通过使用激光聚焦系统，将高能激光聚焦到材料表面，材料吸收激光能量导致局部被加热到熔点以上。同时，同轴高压气体或产生的蒸汽将熔融的金属吹离，在材料表面产生空洞。随着激光沿着设定程序的移动，最终将材料切割出对应图案的形状。

激光切割的类型

一般来说，激光切割可分为激光气化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。这四种激光切割方法的切割功率及功率密度不同，导致其适用于不同的场景。

01 激光气化切割

这种切割方法的原理是：利用高能量密度的激光束加热材料，当材料温度迅速上升达到沸点后，材料迅速气化并产生蒸气喷出并留下切口。

材料的汽化热一般很大，所以激光气化切割需要很大的功率和功率密度。因此这种切割方式多用于极薄金属材料和非金属材料（如纸、布、木材等）的切割。

02 激光融化切割

这种切割方式的原理是激光辐照导致材料熔化，与光束同轴的喷嘴喷吹有较大压力的非氧化性气体（Ar、He、N2等）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气化，所需能量也只有气化切割的1/10，因此这种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。

03 激光氧气切割

激光氧气切割原理是用氧气与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热，同时，被激光熔融的材料又被氧气从反应区吹出并形成切口。

氧化反应为放热反应，使得这种方法所需能量只是熔化切割的1/2，但切割速度比气化切割和熔化切割都快，所以这种切割方法主要用于一些较难切割的物料，如碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。

04 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，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。

切割机的激光功率

常见的激光切割机是：光纤激光切割机和CO2激光切割机。顾名思义，二者所使用的激光分别来源于光纤激光器和CO2激光器。目前，光纤激光器凭借其出光功率高、光斑尺寸小等优势，所占市场早已远超CO2激光器，并仍在增长之中。

没有数据支撑的内容未免苍白，想知道激光切割所用激光功率到底有多高吗？

接下来，来自9月17日于上海举行的中国国际工业博览会（简称：工博会）的一组数据，绝对会让你惊呼：Oh MY GOD!

以20kW的光功率为例，如果其光纤直径为200微米，数值孔径为0.22，则其光功率密度将会大于1000MW/Cm^2·str-1。

而传统的教学用激光笔的光功率仅仅为：1-5mW，光功率密度也很小。但是就是这样的激光笔照射人体尤其是眼睛时，也有很大的伤害。所以一定不能让小朋友随意拿来玩耍呀~~

参考文献：

1.中国国际工业博览会CIIF.www.shsh-expo/.

2.百度百科：激光切割.

3.赵三军,赵水,张志强,贾斌,陈绍磊,周玉梅,姜冰,吴军.激光切割8 mm厚锰钢板的工艺试验研究[J].制造技术与机床,2019(09):70-73.

4.吴国兴,叶军,肖荣诗,林峰,卢智良,徐均良,郭建梅,张宝华,伏金娟,山昌祝,张人佶,张景泉,王应,王晓娟.第十六届中国国际机床展览会特种加工机床评述[J].世界制造技术与装备市场,2019(04):71-82.

5.魏同学.光纤激光切割06Cr19Ni10不锈钢质量控制研究[J].模具技术,2019(04):52-55 63.

来源：中科院半导体所

编辑：皮皮虎

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