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淺談激光切割機

2017-7-6 來源：上海工程技術大（dà）學作者：羅凱君齊（qí）東平李朝飛劉璐琦張運通

摘要 :本文簡單（dān）介紹了激光的原理以及激光切割技術的廣泛（fàn）應用，和激光切割機的操作步驟，以及在工業 4.0 和中國製造 2025 的背景下，設想了激光切割機未來的發展方向。

關（guān）鍵詞 :激光（guāng）；激光切割；激光管；中國製造 2025

0.引言

2015 年 5 月中（zhōng）國政府發布了《中國製造 2025》規劃，指出了未來十年（nián）中國製造業的發展方向，為我製造業大（dà）國（guó）地位的鞏固，綜合實力進入世（shì）界製造強國前列做好了準備（bèi）。激光切割作為現代製造業中必不可少一塊，在（zài）國家的大力支持下勢必在未來製造業大發展中占據（jù）前排的（de）位置。

1 激光切割技術

1.1 激光

激光原理：激光的最初中文名叫（jiào）做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱 LASER 的音譯，英文 Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation 的各單詞（cí）的頭一個字母組成的縮寫詞[1]。意思是（shì） “受激（jī）輻射的光放大”。愛因斯坦提出組成物（wù）質的原子當中有著不同的電子分布，高能量級的電子收到激發，能躍遷到低能量級上，能量會釋放，激發產生激光。激光（guāng）有四個最主要的特（tè）性：激光高亮度、高方向性、高單（dān）色性和高相幹性。方（fāng）向性：激光能夠有效地傳遞較長的距離的（de）衰減極小，並且還能保證聚焦得到很高高的功率，這兩點都是激光加工的重要條件。單（dān）色性：激光的單色性極高發散角小，從而保證（zhèng）了光束能精確地聚焦到焦點上，焦點處的功（gōng）率可（kě）達 107~1011W/cm2 能在瞬間產生上萬攝氏度高溫，融化物體[1]。相（xiàng）幹性：相幹性主（zhǔ）要描述光波各個部分的相位關係。正是激光具有如上（shàng）所述（shù）的各種優異的性能，因此在工業加工中（zhōng）得到了非常廣泛地應用。目（mù）前激光已廣泛（fàn）應用到國民生活的（de）各個領域，如汽車、機車車輛製造、航空、化工、輕工、電器與（yǔ）電子、石油和冶金等工業部門中。具體有激光焊接（jiē）、激光切割、激光打孔（kǒng）（包括斜孔、異孔、膏藥打孔、水鬆紙打孔（kǒng）、鋼板打孔、包裝印刷打孔等方方麵（miàn）麵（miàn）。

1.2 激光切割技術

激光切割是指（zhǐ）將激光束照射在工件表麵時釋放的高能量（liàng）來（lái）使工件融化並蒸（zhēng）發，從而達到切割和雕刻（kè）的目的（de）。我們也（yě）可以理解為是邊（biān）緣（yuán）的分離。它是利用從激光發生器發射出的激光束，經光路係統聚焦成高功（gōng）率密度的激光束照射（shè）條件，激光（guāng）產生的高熱量被工件材料吸（xī）收，工件溫度（dù）急劇上升，到達沸（fèi）點後，材料開始汽化並形成孔洞，伴隨高壓的氣流，隨著光束與工件相對位置的移動，最終使（shǐ）材料形成（chéng）切縫。具體的激（jī）光切（qiē）割細節：激光切割是應用激光聚焦後產生的（de）高功率密度能量來實現的。在（zài）計算機的控製下，通過脈衝激光器放電，從而輸（shū）出受控的（de）重複高頻率的脈衝激光，形成一定的頻率、一定脈（mò）寬的光束，該脈衝激光束經過光路傳導及反射並通過聚焦透鏡組聚（jù）焦在加工物體的表麵上，形成一個細微的，高能量密度的光斑，焦斑位（wèi）於待加工麵附近，產生瞬間高溫熔化和汽化材料。

一個高能量的激光脈衝瞬間就把物體表麵濺射出一（yī）個細小的孔，在計算（suàn）機精（jīng）確控製下，激光光束與被加工（gōng）材料按（àn）預先設定好的圖形路線進行連續相對運動，形（xíng）成 0.1-0.2mm 切縫，最後就可以把物體加工成矢量圖上的形狀[2]。激光切割是用聚焦鏡將 CO2激光束聚（jù）焦在材料表麵（miàn）使溫（wēn）度快速升高材料熔化，同時用與激光束同軸的壓縮（suō）氣體吹走被熔化的材料，並使激光（guāng）束（shù）與材料沿一定軌跡作相對（duì）運動，從而形成一（yī）定形狀的切縫（féng）。激（jī）光切割技術廣泛（fàn）應用（yòng）於金屬和非金屬材料（liào）的加工中，可大大減（jiǎn）少（shǎo）加工時間（jiān），降低加工成（chéng）本，提高工件質量。激光切割設備通常采（cǎi）用（yòng）計算機化數字控製技術（CNC）裝置。

激光切割加工作（zuò）為新型的加工方法，他以其加工（gōng）精（jīng）確、快捷、並（bìng）且操作簡單、自動（dòng）化（huà）程（chéng）度高（gāo）等優（yōu）點，逐步得（dé）到廣泛的應（yīng）用。激光切割耗能低，並且因（yīn）為激光（guāng）加工對工件沒有機械壓力,所以切割出來產品的效果,精度以（yǐ）及切割速度都非常良好.並且還具有操作安全,維（wéi）修簡單等特點.可連續 24 小時不間斷工作（zuò）。可切割任（rèn）意（yì）複雜形狀；效率高、成本低，開發速度快，由（yóu）於激光和計算機技術的結合，用（yòng）戶隻要在計算機上設計，即可實現激光雕刻輸出並且可隨時變換雕刻,可邊設計邊出產品（pǐn）。

2.激光切割機（jī）的組成

2.1 主控箱

主控（kòng）箱是控製（zhì）整台激光切割機運行的核（hé）心樞紐。由它根據導入的矢量圖片所需，指揮整個係（xì）統的運作。它控（kòng）製了激光電源，給激光提供電源，根據（jù）所需來調節激光的輸出功率（lǜ）。根據（jù）導入係統（tǒng）的矢量圖片來確（què）定，激光方向導軌的 XYZ 運動的方向，以及對冷卻係統的（de）控製等。

2.2 激光管

激光管是產生發射激光的裝置，激光管（guǎn）一般由三部分組成（如圖2 所示（shì））：放電空間（放電管）、水（shuǐ）冷套（管）、儲氣管。

激光管發射出激光後（hòu），通過如（rú）圖 3 上所標 1 反射後到（dào）達 2 再一次反射，最後經（jīng）過 3 反射到（dào）達工作台切割所需物品（pǐn）。

3 激（jī）光（guāng）切割機運行（háng）示意

首先我（wǒ）們將要切割的圖像，在相關軟件下，如 CADmatlab 下生成矢量圖，然後用激光切割機（jī）操作（zuò）軟件打開該相應矢量圖，然（rán）後如（rú）圖（tú） 4將（jiāng）矢量圖導入主（zhǔ）控機中，然（rán）後主控機控製激光發生器發生激光（guāng），通過反光鏡片多次反射，將激光導至工作台上，在主控箱的控製之下，切割（gē）頭（tóu）沿著預定的方（fāng）向對工作台上放置的（de）材料進行切割，工作台（tái）在伺服電機作用下上下左右移動，最後得到所需的產（chǎn）品。最後切割機複位，回到零點位置。

4.激光切割機優（yōu）勢（shì）

激光切割與其他（tā）的熱切割方法相比較，總的來說突出的特點是切割速度快、質量高。1）切割質量好由於激光光斑小、能量密度高、切割（gē）速度快，因此激光切割（gē）能（néng）夠獲得較好的切割質量。2）切割效率高由於激光的傳輸特性，激光切割機上一般配有多台數控工作台，整個切（qiē）割過程可以全部實現數控。操作時（shí），隻需改變數控程序，就可適用不同形狀零件的切割，既可進行二維切割，又可實現三維切割。3）切割速度快切割 5mm 厚的聚丙烯（xī）樹脂板，切割速度可達 1200cm/min。並且材料在激（jī）光切割（gē）時不需要（yào）裝夾固定（dìng），既可節省工裝夾具，又節省了上、下料的輔助時間。4）激光（guāng）的（de）高亮度：固體（tǐ）激（jī）光器的（de）亮度更可高達 1011W/cm2Sr。5）激光切割（gē）切縫窄，可以節約原材料；切縫垂直度（dù）好（hǎo），表麵光潔；無（wú）需後續再加工工（gōng）序及清潔處理即（jí）可用於零件（jiàn）成形和（hé）焊接；切（qiē）邊無毛刺，無機械應力．熱影響區小，基本（běn）無變形；激光切割的深寬比大．對金屬材料可達 20：1 左右，對非金屬材料可達 100：1 以上。6）激光切割速（sù）度快，噪聲低，幾乎無汙染，耗能低，並且切割過（guò）程中無“刀具”磨損問題，可以長期使用，幾乎（hū）適台於所有（yǒu）類型材料都可以切割雕刻。

5.激光切割機技術（shù）的發展（zhǎn）方向

經過幾十年（nián）代發展激光切割機技術日趨成（chéng）熟（shú），未來（lái）激光切割機發展趨勢如下：第一，激光切割將（jiāng）向數字化、智能能化方向（xiàng）發展。利用智（zhì）能化技術的發展，研製出高度智能化的多功能激光加工係統[4]。第二，激光切（qiē）割向多功能的激光加工中心發展，將激光切（qiē）割、激光焊接以及熱處理等各道工序後的質量反饋集成在一起，充分發揮激（jī）光加工的整體優（yōu）勢。第三，光切割將向更（gèng）高效（xiào）率（lǜ）、精度，以及多功（gōng）能和高適應性方向發展，激光切割機器人的應用範圍將會（huì）越來越（yuè）大涉及更多的（de）領域。隨（suí）著未來“工業 4.0”，“中國製造 2025”規劃深入實施，製造（zào）業將會發生翻（fān）天覆地的變化，將會對高新製造越來越倚重，激光加工正是屬於這一（yī）類，由於激光加工技術具有高效（xiào）率、高精度等（děng）絕對優（yōu）勢，再（zài）加上配（pèi）合未來智能製造技術的應用，激（jī）光切割機技術將在國民工業體係中中發揮越來越重要的作用。

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