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激光切割是利用高能量密度的激光束作为“切割刀具”对材料进行热切割的一种加工方法。1971年用CO 2 激光切割包装用夹板，开辟了激光切割在工业领域中的应用。随着激光切割设备的不断更新和切割工艺的日益先进，激光切割技术可实现各种金属、非金属板材及众多复杂零件的切割，在汽车工业、航空航天、国防等领域获得了广泛应用。
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、激光划片与断裂控制四类。
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，材料开始气化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的气化热很大，所以激光气化切割时需要很大的功率和功率密度。激光气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 2 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气化，所需能量只有气化切割的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 原理类似于氧-乙炔切割，是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体与切割金属发生作用，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气化切割和熔化切割。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划片与断裂控制 激光划片是利用高能量密度的激光束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处裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO 2 激光器。断裂控制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。
激光切割、氧-乙炔切割和等离子弧切割方法的比较见表2.14，切割材料为6.2mm厚的低碳钢板。与其他切割方式相比，激光切割具有如下特点。
表2.14 激光切割、氧-乙炔切割和等离子弧切割方法的比较
①切割质量好 由于激光光斑小，激光切割切口细窄、切割表面光洁、热影响区宽度很小、变形小、切割精度高，切割零件的尺寸精度可达±0.05mm，表面粗糙度只有几十微米，甚至激光切割可以作为最后一道工序。
②切割效率高 由于激光的传输特性，激光切割机上一般配有数控工作台，整个切割过程可全部实现数控。操作时，只需改变数控程序，就可适用不同形状零件的切割，既可进行二维切割，又可实现三维切割。材料在激光切割时不需要装夹固定，既可节省工装夹具，又节省了上、下料的辅助时间。
③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。
④切割材料的种类多 激光切割材料包括金属、非金属、金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维等。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。采用CO 2 激光器，各种材料的激光切割性见表2.15。
表2.15 各种材料的激光切割性
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。
大多数激光切割机都由数控程序控制操作或做成切割机器人。激光切割作为一种精密的加工方法，几乎可以切割所有的材料，包括薄金属板的二维或三维切割。
在汽车制造领域，汽车顶窗等空间曲线的切割技术已经获得广泛应用。德国大众汽车公司用功率为500W的激光器切割形状复杂的车身薄板及各种曲面件。在航空航天领域，激光切割技术主要用于特种航空材料的切割，如钛合金、铝合金、镍合金、铬合金、不锈钢、氧化铍、复合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有发动机火焰筒、钛合金薄壁机匣、飞机框架、钛合金蒙皮、机翼长桁、尾翼壁板、直升机主旋翼、航天飞机陶瓷隔热瓦等。
激光切割成形技术在非金属材料领域也有着较为广泛的应用。不仅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；还能切割加工柔性材料，如布料、纸张、塑料板、橡胶等。
激光切割设备与焊接设备基本类似，区别是焊接需要使用激光焊枪，而切割需要使用激光割炬（又称割枪）。激光切割大都采用CO 2 激光切割设备，主要由激光器、导光系统、数控运动系统、割炬及抽烟系统组成。
激光器由激光电源提供高压电源，产生的激光经反射镜、导光系统把激光导向切割工件所需要的方向；数控运动系统主要用于调节割炬的移动方向，割炬与工件间的相对移动有以下三种情况。
①割炬不动，工件通过工作台运动，主要用于尺寸较小的工件。
②工件不动，割炬移动。
③割炬和工作台同时运动。
割炬主要包括枪体、聚焦透镜和辅助气体喷嘴等零件。激光切割时，割炬必须满足下列要求。
①能够喷射出足够的气流。
②割炬内气体的喷射方向必须和反射镜的光轴同轴。
③割炬的焦距能够方便调节。
④切割时，保证金属蒸气和切割金属的飞溅不会损伤反射镜。
激光切割时，要求激光器输出的光束经聚焦后的光斑直径最小，功率密度最高。喷嘴用于向切割区喷射辅助气体，其结构形状对切割效率和质量有一定影响。喷孔的形状有圆柱形、锥形和缩放形等。一般根据切割工件的材质、厚度、辅助气体压力等经试验后确定。
①基模 又称为高斯模，是切割最理想的模式，主要出现在功率小于1kW的激光器。
②低阶模 与基模比较接近，主要出现在1～2kW的中功率激光器。
③多模 是高阶模的混合，出现在功率大于3kW的激光器。
切割速度与横模及板厚的关系见图2.18。由图可见，300W的单模激光和500W的多模有同等的切割能力。但是，相同功率下多模的聚焦性差，切割能力低，单模激光的切割能力优于多模。常用材料的单模激光切割工艺参数见表2.16，多模激光切割工艺参数见表2.17。
图2.18 切割速度与横模及板厚的关系
表2.16 常用材料的单模激光切割工艺参数
表2.17 常用材料多模激光切割工艺参数
激光切割所需要的激光功率主要取决于切割类型以及被切割材料的性质。气化切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧气切割最小。激光功率对切割厚度、切割速度和切口宽度等有很大影响。一般激光功率增大，所能切割材料的厚度也增加；切割速度加快，切口宽度也有所加大。激光功率与板厚和切割速度的关系见图2.19。激光功率对切口宽度的影响见图2.20。
图2.19 激光功率与板厚和切割速度的关系
图2.20 激光功率对切口宽度的影响
离焦量对切口宽度和切割深度影响较大。一般选择焦点位于材料表面下方约1/3板厚处，切割深度最大，切口宽度最小。采用激光功率为2.3kW、切割不同厚度钢板时，离焦量对切割质量的影响见图2.21。
图2.21 离焦量对切割质量的影响
切割较厚钢板时应采用焦点深度大的光束，以获得垂直度良好的切割面。焦点深度大，光斑直径也增大，功率密度随之减小，使切割速度降低。要保持一定的切割速度需要增大激光功率；切割薄板宜采用较小的焦点深度，这样光斑直径小，功率密度高，切割速度快。
切割速度直接影响切口宽度和切口表面粗糙度。对于不同材料的板厚，不同的切割气体压力，切割速度有一个最佳值，这个最佳值约为最大切割速度的80%。切割速度与材料板厚的关系见图2.22，图中的上、下曲线分别表示能够切透材料的最大和最小切割速度。
图2.22 切割速度与材料板厚的关系
切割低碳钢多采用O 2 作辅助气体，以利用铁-氧燃烧反应热促进切割过程，而且切割速度快，切口质量好，可以获得无挂渣的切口。切割不锈钢时，常使用O 2 +N 2 混合气体或双层气流，单用O 2 在切口底边会发生挂渣。气体压力增大，动量增加，排渣能力增强，因此可以使无挂渣的切割速度增加。但压力过大，切割面反而会粗糙。
激光氧气切割时，氧气压力对切割速度的影响见图2.23。氧气纯度对切割速度有一定的影响，研究表明，氧气纯度降低2%，切割速度就会降低50%。
图2.23 氧气压力对切割速度的影响
喷嘴形状也影响激光切割质量和效率。不同切割机采用不同形状的喷嘴，图2.24为激光切割机常用的喷嘴形状，有圆柱形、锥形和缩放形等。激光切割一般采用同轴（气流与光轴同心）喷嘴，若气流与光束不同轴，则在切割时易产生大量飞溅。为了保证切割过程的稳定性，一般应尽量减小喷嘴端面至工件表面的距离，常取0.5～2.0mm。
图2.24 激光切割机常用的喷嘴形状
常用金属材料激光切割工艺参数示例见表2.18。
表2.18 常用金属材料激光切割工艺参数示例
