淺談激光切割機(jī)
2017-7-6 來源：上海工程技術(shù)大學(xué) 作者：羅凱君 齊東平 李朝飛 劉璐琦 張運(yùn)通
摘要 :本文簡單介紹了激光 的原理以及激光切割技術(shù)的廣泛應(yīng)用 ，和激光切割機(jī)的操作步驟 ，以及在工業(yè) 4.0 和中國制造 2025 的背景下，設(shè)想了激光切割機(jī)未來的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞 :激光 ；激光切割 ；激光管 ；中 國 制 造 2025
0.引言
2015 年 5 月中國政府發(fā)布了 《中 國制造 2025》規(guī)劃 ，指出了未來十年中國制造業(yè)的發(fā)展方向，為我制造業(yè)大國地位的鞏固，綜合實(shí)力進(jìn)入世界制造強(qiáng)國前列做好了準(zhǔn)備。激光切割作為現(xiàn)代制造業(yè)中必不可少一塊，在國家的大力支持下勢必在未來制造業(yè)大發(fā)展中占據(jù)前排的位置。
1 激光切割技術(shù)
1.1 激光
激光原理：激光的最初中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱 LASER 的音譯， 英文 Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation 的各單詞的頭一個(gè)字母組成的縮寫詞[1]。意思是 “受激輻射的光放大”。愛因斯坦提出組成物質(zhì)的原子當(dāng)中有著不同的電子分布，高能量級的電子收到激發(fā)，能躍遷到低能量級上，能量會(huì)釋放，激發(fā)產(chǎn)生激光。激光有四個(gè)最主要的特性：激光高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。方向性：激光能夠有效地傳遞較長的距離的衰減極小，并且還能保證聚焦得到很高高的功率，這兩點(diǎn)都是激光加工的重要條件。單色性：激光的單色性極高發(fā)散角小，從而保證了光束能精確地聚焦到焦點(diǎn)上， 焦點(diǎn)處的功率可達(dá) 107~1011W/cm2 能在瞬間產(chǎn)生上萬攝氏度高溫，融化物體[1]。相干性：相干性主要描述光波各個(gè)部分的相位關(guān)系。正是激光具有如上所述的各種優(yōu)異的性能，因此在工業(yè)加工中得到了非常廣泛地應(yīng)用。 目前激光已廣泛應(yīng)用到國民生活的各個(gè)領(lǐng)域，如汽車、機(jī)車車輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等工業(yè)部門中。 具體有激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、異孔、膏藥打孔、水松紙打孔、鋼板打孔、包裝印刷打孔等方方面面。
1.2 激光切割技術(shù)
激光切割是指將激光束照射在工件表面時(shí)釋放的高能量來使工件融化并蒸發(fā)，從而達(dá)到切割和雕刻的目的。 我們也可以理解為是邊緣的分離。 它是利用從激光發(fā)生器發(fā)射出的激光束，經(jīng)光路系統(tǒng)聚焦成高功率密度的激光束照射條件， 激光產(chǎn)生的高熱量被工件材料吸收，工件溫度急劇上升，到達(dá)沸點(diǎn)后，材料開始汽化并形成孔洞，伴隨高壓的氣流，隨著光束與工件相對位置的移動(dòng)，最終使材料形成切縫。具體的激光切割細(xì)節(jié)：激光切割是應(yīng)用激光聚焦后產(chǎn)生的高功率密度能量來實(shí)現(xiàn)的。在計(jì)算機(jī)的控制下，通過脈沖激光器放電，從而輸出受控的重復(fù)高頻率的脈沖激光，形成一定的頻率、一定脈寬的光束，該脈沖激光束經(jīng)過光路傳導(dǎo)及反射并通過聚焦透鏡組聚焦在加工物體的表面上，形成一個(gè)細(xì)微的，高能量密度的光斑，焦斑位于待加工面附近，產(chǎn)生瞬間高溫熔化和汽化材料。
一個(gè)高能量的激光脈沖瞬間就把物體表面濺射出一個(gè)細(xì)小的孔，在計(jì)算機(jī)精確控制下，激光光束與被加工材料按預(yù)先設(shè)定好的圖形路線進(jìn)行連續(xù)相對運(yùn)動(dòng)， 形成 0.1-0.2mm 切縫，最后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激光束聚焦在材料表面使溫度快速升高材料熔化， 同時(shí)用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料，并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運(yùn)動(dòng)， 從而形成一定形狀的切縫。 激光切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時(shí)間，降低加工成本，提高工件質(zhì)量。激光切割設(shè)備通常采用計(jì)算機(jī)化數(shù)字控制技術(shù)（CNC）裝置。
激光切割加工作為新型的加工方法，他以其加工精確、快捷、并且操作簡單、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，逐步得到廣泛的應(yīng)用。 激光切割耗能低，并且因?yàn)榧す饧庸ぜ]有機(jī)械壓力,所以切割出來產(chǎn)品的效果,精度以及切割速度都非常良好.并且還具有操作安全,維修簡單等特點(diǎn).可連續(xù) 24 小時(shí)不間斷工作。 可切割任意復(fù)雜形狀；效率高、成本低，開發(fā)速度快，由于激光和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，用戶只要在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)激光雕刻輸出并且可隨時(shí)變換雕刻,可邊設(shè)計(jì)邊出產(chǎn)品。
2.激光切割機(jī)的組成
2.1 主控箱
主控箱是控制整臺(tái)激光切割機(jī)運(yùn)行的核心樞紐。由它根據(jù)導(dǎo)入的矢量圖片所需，指揮整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。它控制了激光電源，給激光提供電源，根據(jù)所需來調(diào)節(jié)激光的輸出功率。 根據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)的矢量圖片來確定，激光方向?qū)к壍?XYZ 運(yùn)動(dòng)的方向，以及對冷卻系統(tǒng)的控制等。
2.2 激光管
激光管是產(chǎn)生發(fā)射激光的裝置，激光管一般由三部分組成（如圖2 所示 ）： 放電空間 （放電管 ）、水冷套 （管）、儲(chǔ)氣管 。
激光管發(fā)射出激光后，通過如圖 3 上所標(biāo) 1 反射后到達(dá) 2 再一次反射，最后經(jīng)過 3 反射到達(dá)工作臺(tái)切割所需物品。
3 激光切割機(jī)運(yùn)行示意
首先我們將要切割的圖像，在相關(guān)軟件下，如 CADmatlab 下生成矢量圖，然后用激光切割機(jī)操作軟件打開該相應(yīng)矢量圖，然后如圖 4將矢量圖導(dǎo)入主控機(jī)中，然后主控機(jī)控制激光發(fā)生器發(fā)生激光，通過反光鏡片多次反射，將激光導(dǎo)至工作臺(tái)上，在主控箱的控制之下，切割頭沿著預(yù)定的方向?qū)ぷ髋_(tái)上放置的材料進(jìn)行切割，工作臺(tái)在伺服電機(jī)作用下上下左右移動(dòng)，最后得到所需的產(chǎn)品。最后切割機(jī)復(fù)位，回到零點(diǎn)位置。
4.激光切割機(jī)優(yōu)勢
激光切割與其他的熱切割方法相比較，總的來說突出的特點(diǎn)是切割速度快、質(zhì)量高。1）切割質(zhì)量好 由于激光光斑小 、能量密度高 、切割速度快 ， 因此激光切割能夠獲得較好的切割質(zhì)量。2）切割效率高 由于激光的傳輸特性 ，激光切割機(jī)上一般配有多臺(tái)數(shù)控工作臺(tái)，整個(gè)切割過程可以全部實(shí)現(xiàn)數(shù)控。操作時(shí)，只需改變數(shù)控程序，就可適用不同形狀零件的切割，既可進(jìn)行二維切割，又可實(shí)現(xiàn)三維切割。3）切割速度快 切割 5mm 厚的聚丙烯樹脂板，切割速度可達(dá) 1200cm/min。 并且材料在激光切割時(shí)不需要裝夾固定 ，既可節(jié)省工裝夾具 ，又節(jié)省了上、下料的輔助時(shí)間。4）激光的高亮度：固體激光器的亮度更可高達(dá) 1011W/cm2Sr。5）激光切割切縫窄 ，可以節(jié)約原材料 ；切 縫垂直度好 ，表面光潔；無需后續(xù)再加工工序及清潔處理即可用于零件成形和焊接；切邊無毛刺，無機(jī)械應(yīng)力．熱影響區(qū)小，基本無變形；激光切割的深寬比大．對金屬材料可達(dá) 20：1 左右，對非金屬材料可達(dá) 100：1 以上。6）激光切割速度快 ，噪 聲低 ，幾乎無污染 ，耗能低 ，并且切割過程中無“刀具”磨損問題，可以長期使用，幾乎適臺(tái)于所有類型材料都可以切割雕刻。
5.激光切割機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向
經(jīng)過幾十年代發(fā)展激光切割機(jī)技術(shù)日趨成熟，未來激光切割機(jī)發(fā)展趨勢如下：第一，激光切割將向數(shù)字化、智能能化方向發(fā)展。利用智能化技術(shù)的發(fā)展，研制出高度智能化的多功能激光加工系統(tǒng)[4]。第二，激光切割向多功能的激光加工中心發(fā)展，將激光切割、激光焊接以及熱處理等各道工序后的質(zhì)量反饋集成在一起，充分發(fā)揮激光加工的整體優(yōu)勢。第三，光切割將向更高效率、精度，以及多功能和高適應(yīng)性方向發(fā)展，激光切割機(jī)器人的應(yīng)用范圍將會(huì)越來越大涉及更多的領(lǐng)域。隨著未來“工業(yè) 4.0”，“中國制造 2025”規(guī)劃深入實(shí)施，制造業(yè)將會(huì)發(fā)生翻天覆地的變化，將會(huì)對高新制造越來越倚重，激光加工正是屬于這一類，由于激光加工技術(shù)具有高效率、高精度等絕對優(yōu)勢，再加上配合未來智能制造技術(shù)的應(yīng)用，激光切割機(jī)技術(shù)將在國民工業(yè)體系中中發(fā)揮越來越重要的作用。
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