浅谈激光切割机
2017-7-6 来源：上海工程技术大学 作者：罗凯君 齐东平 李朝飞 刘璐琦 张运通
摘要 :本文简单介绍了激光 的原理以及激光切割技术的广泛应用 ，和激光切割机的操作步骤 ，以及在工业 4.0 和中国制造 2025 的背景下，设想了激光切割机未来的发展方向。
关键词 :激光 ；激光切割 ；激光管 ；中 国 制 造 2025
0.引言
2015 年 5 月中国政府发布了 《中 国制造 2025》规划 ，指出了未来十年中国制造业的发展方向，为我制造业大国地位的巩固，综合实力进入世界制造强国前列做好了准备。激光切割作为现代制造业中必不可少一块，在国家的大力支持下势必在未来制造业大发展中占据前排的位置。
1 激光切割技术
1.1 激光
激光原理：激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称 LASER 的音译， 英文 Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation 的各单词的头一个字母组成的缩写词[1]。意思是 “受激辐射的光放大”。爱因斯坦提出组成物质的原子当中有着不同的电子分布，高能量级的电子收到激发，能跃迁到低能量级上，能量会释放，激发产生激光。激光有四个最主要的特性：激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。方向性：激光能够有效地传递较长的距离的衰减极小，并且还能保证聚焦得到很高高的功率，这两点都是激光加工的重要条件。单色性：激光的单色性极高发散角小，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上， 焦点处的功率可达 107~1011W/cm2 能在瞬间产生上万摄氏度高温，融化物体[1]。相干性：相干性主要描述光波各个部分的相位关系。正是激光具有如上所述的各种优异的性能，因此在工业加工中得到了非常广泛地应用。 目前激光已广泛应用到国民生活的各个领域，如汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门中。 具体有激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、异孔、膏药打孔、水松纸打孔、钢板打孔、包装印刷打孔等方方面面。
1.2 激光切割技术
激光切割是指将激光束照射在工件表面时释放的高能量来使工件融化并蒸发，从而达到切割和雕刻的目的。 我们也可以理解为是边缘的分离。 它是利用从激光发生器发射出的激光束，经光路系统聚焦成高功率密度的激光束照射条件， 激光产生的高热量被工件材料吸收，工件温度急剧上升，到达沸点后，材料开始汽化并形成孔洞，伴随高压的气流，随着光束与工件相对位置的移动，最终使材料形成切缝。具体的激光切割细节：激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。在计算机的控制下，通过脉冲激光器放电，从而输出受控的重复高频率的脉冲激光，形成一定的频率、一定脉宽的光束，该脉冲激光束经过光路传导及反射并通过聚焦透镜组聚焦在加工物体的表面上，形成一个细微的，高能量密度的光斑，焦斑位于待加工面附近，产生瞬间高温熔化和汽化材料。
一个高能量的激光脉冲瞬间就把物体表面溅射出一个细小的孔，在计算机精确控制下，激光光束与被加工材料按预先设定好的图形路线进行连续相对运动， 形成 0.1-0.2mm 切缝，最后就可以把物体加工成矢量图上的形状[2]。激光切割是用聚焦镜将 CO2激光束聚焦在材料表面使温度快速升高材料熔化， 同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动， 从而形成一定形状的切缝。 激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。激光切割设备通常采用计算机化数字控制技术（CNC）装置。
激光切割加工作为新型的加工方法，他以其加工精确、快捷、并且操作简单、自动化程度高等优点，逐步得到广泛的应用。 激光切割耗能低，并且因为激光加工对工件没有机械压力,所以切割出来产品的效果,精度以及切割速度都非常良好.并且还具有操作安全,维修简单等特点.可连续 24 小时不间断工作。 可切割任意复杂形状；效率高、成本低，开发速度快，由于激光和计算机技术的结合，用户只要在计算机上设计，即可实现激光雕刻输出并且可随时变换雕刻,可边设计边出产品。
2.激光切割机的组成
2.1 主控箱
主控箱是控制整台激光切割机运行的核心枢纽。由它根据导入的矢量图片所需，指挥整个系统的运作。它控制了激光电源，给激光提供电源，根据所需来调节激光的输出功率。 根据导入系统的矢量图片来确定，激光方向导轨的 XYZ 运动的方向，以及对冷却系统的控制等。
2.2 激光管
激光管是产生发射激光的装置，激光管一般由三部分组成（如图2 所示 ）： 放电空间 （放电管 ）、水冷套 （管）、储气管 。
激光管发射出激光后，通过如图 3 上所标 1 反射后到达 2 再一次反射，最后经过 3 反射到达工作台切割所需物品。
3 激光切割机运行示意
首先我们将要切割的图像，在相关软件下，如 CADmatlab 下生成矢量图，然后用激光切割机操作软件打开该相应矢量图，然后如图 4将矢量图导入主控机中，然后主控机控制激光发生器发生激光，通过反光镜片多次反射，将激光导至工作台上，在主控箱的控制之下，切割头沿着预定的方向对工作台上放置的材料进行切割，工作台在伺服电机作用下上下左右移动，最后得到所需的产品。最后切割机复位，回到零点位置。
4.激光切割机优势
激光切割与其他的热切割方法相比较，总的来说突出的特点是切割速度快、质量高。1）切割质量好 由于激光光斑小 、能量密度高 、切割速度快 ， 因此激光切割能够获得较好的切割质量。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。3）切割速度快 切割 5mm 厚的聚丙烯树脂板，切割速度可达 1200cm/min。 并且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。4）激光的高亮度：固体激光器的亮度更可高达 1011W/cm2Sr。5）激光切割切缝窄 ，可以节约原材料 ；切 缝垂直度好 ，表面光洁；无需后续再加工工序及清洁处理即可用于零件成形和焊接；切边无毛刺，无机械应力．热影响区小，基本无变形；激光切割的深宽比大．对金属材料可达 20：1 左右，对非金属材料可达 100：1 以上。6）激光切割速度快 ，噪 声低 ，几乎无污染 ，耗能低 ，并且切割过程中无“刀具”磨损问题，可以长期使用，几乎适台于所有类型材料都可以切割雕刻。
5.激光切割机技术的发展方向
经过几十年代发展激光切割机技术日趋成熟，未来激光切割机发展趋势如下：第一，激光切割将向数字化、智能能化方向发展。利用智能化技术的发展，研制出高度智能化的多功能激光加工系统[4]。第二，激光切割向多功能的激光加工中心发展，将激光切割、激光焊接以及热处理等各道工序后的质量反馈集成在一起，充分发挥激光加工的整体优势。第三，光切割将向更高效率、精度，以及多功能和高适应性方向发展，激光切割机器人的应用范围将会越来越大涉及更多的领域。随着未来“工业 4.0”，“中国制造 2025”规划深入实施，制造业将会发生翻天覆地的变化，将会对高新制造越来越倚重，激光加工正是属于这一类，由于激光加工技术具有高效率、高精度等绝对优势，再加上配合未来智能制造技术的应用，激光切割机技术将在国民工业体系中中发挥越来越重要的作用。
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