激光切割机的“那些事儿”

【编者按】浅析激光切割机工作原理及应用中的优势。

激光在在教学、军事、工业上都有应用。其中激光切割机就是其应用之一。激光切割机在金属与非金属的切上都有运用。利用激光束使材料表面的融化。本文将讲述激光切割机的原理。

激光切割机原理——介绍

激光切割机技术采用激光束照射到金属板材表面时释放的能量。使金属板材熔化并由气体将溶渣吹走。由于激光力量非常集中，所以只有少量热传到金属板材的其它部分，造成的变形很小或没有变形。利用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料不必再作进一步的处理。

激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率为500～5000瓦。该功率的水平比许多家用电暖气所需要的功率还低，由于通过透镜和反射镜，激光束聚集在很小的区域。能量的高度集中能够进行迅速局部加热，使金属板材溶化。

利用激光切割设备可切割16mm以下的不锈钢，在激光束中加氧气可切割8～10mm厚的不锈钢，但加氧切割后会在切割面形成薄薄的氧化膜。切割的最大厚度可增加到16mm，但切割部件的尺寸误差较大。

作为高科技的激光技术，自问世以来，就一直针对不同的社会需求研发出适合各行业的激光产品，如激光打印机，激光美容机，激光打标数控激光切割机机，激光切割机等产品，由于国内激光产业起步较晚，在技术研发上很大程度落后于一些发达国家，目前国内的激光产品生产厂家生产出来的激光产品，一些关键的零配件如激光管，驱动马达，振镜，聚焦镜等还是采用进品的。这就造成了成本的上升，也加重了消费者的承担。

近年来，随着国内激光技术的进步，在整机及一些零配件的研发生产上已逐渐向国外先进产品靠拢。在某些方面甚至优于国外产品，再加上介格的优势，在国内市场还是占据主导地位。但是在一些精密加工及设备、稳定性和耐性方面，国外先进产品还是占据绝对的优势的。

激光切割机原理——原理

在激光切割机中，其主要工作的是激光管，因此我们要了解激光管。

都清楚的知道激光设备中，激光管的重要性，下面就以现今最为普遍的一种激光管来进行判定。CO2激光管！

激光管的组成是采用一种硬质的玻璃制造的，因此是一种易碎，易裂的物质。要想了解CO2激光管，就必须先要了解激光管的结构，像这种二氧化碳激光器采用的都是层套筒式结构，最为里面的是一层放电管。然而二氧化碳的激光器放电管的直径比激光管的本身都还要粗，放电管的粗细跟光斑的大小所引起的衍射反应成为一种正比，管长的长短跟放电管的输出功率也形成了一种比例。

激光切割机在运作过程中，激光管会产生很大热量，影响了切割机正常工作，因此需要特域冷水机来冷却激光管，确保激光切割机在恒温状态下正常工作。200W的激光器选用CW－6200就可以了，制冷量5．5KW；650W的激光器要选用CW－7800，制冷量能达到23KW。

激光切割机原理——切割特点

激光切割的优点：

优点Ⅰ——效率高

因激光的传输特性，激光切割机上一般配有多台数控工作台，整个切割过程可以全部实现数控。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。

优点Ⅱ——速度快

功率为1200W的激光切割2mm厚的低碳钢板，切割速度可达600cm／min；切割5mm厚的聚丙烯树脂板，切割速度可达1200cm／min。材料在激光切割时不需要装夹固定。

优点Ⅲ——切割质量好

一：激光切割切口细窄，切缝两边平行并且与表面垂直，切割零件的尺寸精度可达±0．05mm。

二：切割表面光洁美观，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，无需机械加工，零部件可直接使用。

三：材料经过激光切割后，热影响区宽度很小，切缝附近材料的性能也几乎不受影响，并且工件变形小，切割精度高，切缝的几何形状好，切缝横截面形状呈现较为规则的长方形。激光切割、氧乙炔切割和等离子切割方法的比较见表1，切割材料为6．2mm厚的低碳钢板。

优点Ⅳ——切割非接触

激光切割时割炬与工件没有直接接触，不存在有工具的磨损。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，污染小。

优点Ⅴ——可切割材料多

与氧乙炔切割和等离子切割比较，激光切割材料的种类多，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。

激光切割机原理——切割方式

Ⅰ汽化切割

是指被加工材料的去除主要是通过使材料汽化的方式进行的。

在汽化切割过程中，工件表而在聚焦激光束的作用下，温度迅速上升到汽化温度，材料大量汽化，形成的高压蒸气以超音速向外喷射。同时在激光作用区内形成“孔洞”，激光束在孔洞内多次反射又使材料对激光的吸收丰迅速提高。

在高压蒸气高速喷射的过程中，切缝内的熔融物被同时从切缝处吹走，直至将工件切断。内于汽化切割主要靠使材料汽化的方式进行，因此所需的功率密度很高，一般应达到每平方厘米就有10的八次方瓦以上。

汽化切割是激光切割一些低燃点材料（如木材、碳和某些塑料）以及难熔性材料（如陶瓷等）时常采月的方法。用脉冲激光器切割材料时也多采用汽化切割的方法。

Ⅱ反应熔化切割

在熔化切割中．如果辅助气流不仅仅是把切缝内的熔融物吹走，而且还能够与工件发生改热反应，使切割过程增加另—热源，这样的切割称为反应熔化切割。通常能与工件发生反应的气体是氧气或含有氧气的混合气休。

当工件表面温度达到燃点温度时，就会发生强烈的燃烧放热反应，可大大提高激光切割的能力。对于低碳钢和不锈钢，燃烧放热反应提供的能量是60％。对于钛等活性金属，燃烧提供的能量大约是90％。

因此，反应熔化切割与激光汽化切割、—般熔化切割相比，所需的激光功率密度更低，仅为汽化切割的1／20，熔化切割的1／2。然而，在反应熔化切割中，内于燃烧反应会使材料表面发生一些化学变化，从而对工件的性能会有影响。

Ⅲ熔化切割

在激光切割过程中，如果增加一个与激光束同轴的辅助吹气系统，使切割过程中熔融物的去除不是单靠材料汽化本身，而主要是依靠高速辅助气流的吹动作用，将熔融物连续不断地从切缝中吹走，这样的切割过程称为熔化切割。

在熔化切割过程中，工件温度不再需要被加热到汽化温度以上，因此所需的激光功率密度可大大降低。由材料熔化与汽化的潜热比可知，熔化切割所需激光功率仅为汽化切割方法的1／10。

Ⅳ激光划片

这种方法主要用于：半导体材料；利用功率密度很高的激光束在半导体构料工件表面划出—个个浅的沟槽，由于这种沟槽削弱了半导体材料的结合力．可通达机械的方法或振动的方法使其断裂。激光划片的质量用表面碎片和热影响区的大小来衡量。

Ⅴ冷切割

这是一种新型加工方法，是随着最近几年紫外波段的高功率准分子激光器的出现而提出来的。它的基本原理：紫外光子的能量同许多有机材料的结合能相近，用这样的高能光子去撞击有机材料的结合键并使其破裂。从而达到切割的目的。这种新技术具有广阔的应用前景，持别是在电子行业中的应用会很广。

Ⅵ热应力切割

脆性材料在激光束的加热下．其表面易产生较大的应力．从而能够整齐、迅油地通过激光加热的应力点引起断裂．这样的切割过程称为激光热应力切割。热应力切割的机理为：激光束加热脆性材料的某一区域．使其产生明显的温度梯度。

工件表面温度较高要发生膨胀．而工件内层温度较低要阻碍膨胀，结果在工件表面产生拉应力．内层产生径向的挤压应力。当这两种应力超过工件本身的断裂极限强度时。便会在工件上出现裂纹。使得工件沿裂纹断开。热应力切割的速度—股为m／s量级。这种切割方法适用于切割玻璃、陶瓷等材料。

总结：激光切割机是利用激光特性以及镜片聚焦使能量集中将材料表面融化或气化的一种切割技术。可以做到切割质量好、速度快、切割材料多、效率高等优点。

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