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等离子弧是将自由电弧压缩，形成高温、高电离度及高能量密

度的电弧，其实质是一种压缩电弧。由于现代物理学把电离度大于

0.1%的气体列为物质的第四态，即等离子体，而压缩电弧的弧柱

比较充分地处于等离子体状态，所以称此种压缩电弧为等离子弧。

等离子弧能量集中、温度高，且焰流速度大 (可达300垃/s以上)，

这些特性使其广泛应用于焊接、喷涂及金属和非金属的切割。

*节 等离子弧的特点、产生及类型

一、等离子弧及其特点

等离子弧是高能量密度的压缩电弧，是近代发展的一种高温新

热源，它的温度高达15000～30000℃，现有的任何高熔点金属和

非金属材料都可被等离子弧熔化。选取适当的规范，可以使等离子

弧的焰流具有很高的流速，产生很大的机械冲刷力，用这种等离子

弧切割可以切割氧-焰和电弧所不能切割或难切割的不锈钢、

铝、铜、铸铁以及其他难熔金属和非金属材料，切口较窄，切割边

的质量较好。切割厚度可达150垃垃，甚至更厚。

等离子弧切割在我国得到广泛应用，除了设备简单容易制造以

外，更主要的是等离子弧还具备下列一些特点:

(1)温度高，能量集中;

(2)有高的导电和导热性能;

(3)具有较大的冲击力;

(4)比一般电弧稳定;

(5)各项有关参数的调节范围广。

二、激光的特点

(1)亮度高:CO2 激光亮度比太阳表面高8个数量级，钕玻璃激光亮度比太阳表面高16个数量级。

(2)方向性好:近于理想的平行光，远距离传播时，扩散面积很小。

(3)单色性好:光谱宽度极窄。比灯的光谱还窄几个数量级。

(4)具有反射、折射、透射、聚焦的特性。

(5)功率密度高:一般在105

～107W/c垃

2，经充分聚焦后可

以达到10的6次

～10的12次方

W/c垃

一、激光切割的原理

激光切割是利用激光束的热能实现切割的方法。激光切割时，

图4-1 激光切割示意

把激光器作为光源，通过反射镜

导光，聚焦透镜聚焦光束，以很

高的功率密度照射被加工的材料，

材料吸收光能转变为热能，使材

料熔化、汽化，激光束就把材料

穿透，激光束等速移动而产生连

续切口，

二、激光切割的特点

激光切割是一种高速度、高

质量的切割方法，其特点可概括

为以下几点。

(1)切缝细窄，节省切割材料，还可切割盲缝，如切割一般低

碳钢，切缝宽度可小到0.1～0.2垃垃。

(2)可进行薄板高速切割和曲面切割，切口和热影响区都很窄

(其宽度仅有0.01～0.1垃垃)，且割后工件变形很小，性能不受

影响。

(3)切缝边缘垂直度好，切边光滑，表面粗糙度R乱可低到十

几微米，优于气割、等离子弧切割等其他热切割方法，也优于冲剪

法 (见图4-2);工件的尺寸精度可达士0.05垃垃。

图4-2 激光切割精度

因此，有些工件切割后无需再加工，可直接使用或进行焊接。

(4)激光束工作距离大，适合于可达性很差部位的切割。

(5)切割速度快。切割低碳钢、钛板时切割速度每分钟可达数

米至数十米。

(6)可实现多工位操作，易进行数控自动化切割。

(7)由于是无接触切割，所以无工具的磨损也不需要更换刀

具，只需调整工艺参数。

(8)切割时噪声低、污染小。

(9)可以切割软、硬、脆、易碎材料及合成材料等多种材料。

缺点是设备昂贵，且由于受激光发生器输出功率限制，目前激

光切割中、小厚度板较为有利，切割厚度低于15垃垃。对于大厚度

板的切割尚有一定困难。

激光切割是利用激光束能量使切口部位金属加热熔化及汽化，

同时用纯氧或压缩空气、氮、氢、CO2十N2、等辅助气流排走液态切口金属。

一、激光的产生

由原子结构可知，电子绕核旋转，具有不同的轨道。这些轨道

称为能级。电子处于不同能级，原子系统的能量不同。由于粒子有

趋于低能级的特性，平衡状态时，低能级粒子多于高能级粒子 (分

布规律符合玻尔兹曼公式)。如果提供一个能源，使低能级粒子吸

收能量，跃迁到高能级上，使高能级粒子数多于低能级粒子数。这

就是所谓的 “粒子居集数反转”。

高能级粒子有向低能级自发跃迁的趋势。一个电子自发跃迁一

个能级差，放出一个光子，称自发辐射。自发辐射放出的光子频率

与跃迁的能级差成正比，符合普朗克公式灶P=E2—E1。此式中，

灶=6.62610—34 (了.s)，为普朗克常数;p为光子的频率;E1、E2

分别为高能级和低能级能量。此光子又激发E2 能级的粒子，使E2

能级的粒子受激放出频率、相位、方向和偏振方向完全一致的光子

即受辐射。此时E2 能级一粒子，产生两个完全相同的光子，这两

个光子再去激发E2 能级的粒子就产生四个相同光子，这种雪崩式

的反应，使入射光得到放大，使光强迅速增强。如果在粒子受激辐

射系统两端设置两块相互平行的反射镜，构成光学谐振腔，平行于

谐振腔轴线的光，在两个反射镜之间振荡放大，越来越强，直到

E2 能级的粒子都受激跃迁到E1 能级时，粒子居集数反转现象消

失，光强不再增加

在反复反射过程中，与谐振光方向、波长不一致的光，不能形

成谐振的光*逸出谐振腔外而消失，*后得到的光束是方向一

致、亮度极高的单色光，即激光