淺談激光切割機(jī)

摘 要：本文簡(jiǎn)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(guó)制造2025的背景下，設(shè)想了激光切割機(jī)未來(lái)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：激光；激光切割；激光管

2015年5月中國(guó)政府發(fā)布了《中國(guó)制造2025》規(guī)劃，指出了未來(lái)十年中國(guó)制造業(yè)的發(fā)展方向，為我制造業(yè)大國(guó)地位的鞏固，綜合實(shí)力進(jìn)入世界制造強(qiáng)國(guó)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(guó)家的大力支持下勢(shì)必在未來(lái)制造業(yè)大發(fā)展中占據(jù)前排的位置。

一、激光切割技術(shù)

（一） 激光。激光原理：愛(ài)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(jí)的電子收到激發(fā)，能躍遷到低能量級(jí)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(zhǎng)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(wàn)攝氏度高溫，融化物體。

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(guó)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。

（二）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(lái)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(kāi)始汽化并形成孔洞，伴隨高壓的氣流，隨著光束與工件相對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。在計(jì)算機(jī)的控制下，通過(guò)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(guò)光路傳導(dǎo)及反射并通過(guò)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(duì)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。

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(duì)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(jiǎn)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?duì)工件沒(méi)有機(jī)械壓力，所以切割出來(lái)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(jiǎn)單等特點(diǎn).可連續(xù)24小時(shí)不間斷工作?？汕懈钊我鈴?fù)雜形狀；效率高、成本低，開(kāi)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。

二、激光切割機(jī)的組成

（一）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(lái)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(lái)確定，激光方向?qū)к壍腦YZ運(yùn)動(dòng)的方向，以及對(duì)冷卻系統(tǒng)的控制等。

（二） 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： 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(guò)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(guò)3反射到達(dá)工作臺(tái)切割所需物品。

（三） 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CAD，matlab下生成矢量圖，然后用激光切割機(jī)操作軟件打開(kāi)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(guò)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。

（四） 激光切割機(jī)優(yōu)勢(shì)。激光切割與其他的熱切割方法相比較，總的來(lái)說(shuō)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(guò)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(shù)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(wú)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(wú)毛刺，無(wú)機(jī)械應(yīng)力.熱影響區(qū)小，基本無(wú)變形；激光切割的深寬比大.對(duì)金屬材料可達(dá)20：1左右，對(duì)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(wú)污染，耗能低，并且切割過(guò)程中無(wú)“刀具”磨損問(wèn)題，可以長(zhǎng)期使用，幾乎適臺(tái)于所有類型材料都可以切割雕刻。

（五） 激光切割機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向。經(jīng)過(guò)幾十年代發(fā)展激光切割機(jī)技術(shù)日趨成熟，未來(lái)激光切割機(jī)發(fā)展趨勢(shì)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)。

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(shì)。

第三，激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(lái)越大涉及更多的領(lǐng)域。

隨著未來(lái)“工業(yè)4.0”，“中國(guó)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(duì)高新制造越來(lái)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(duì)優(yōu)勢(shì)，再加上配合未來(lái)智能制造技術(shù)的應(yīng)用，激光切割機(jī)技術(shù)將在國(guó)民工業(yè)體系中中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]甘加梁，孫紅安.中低功率激光切割機(jī)的開(kāi)發(fā)與運(yùn)用[J].中國(guó)激光，2011，14（6）：48-49.

[2]齊忠明，王濤.激光切割工藝在機(jī)械加工中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2014，14（6）：63-64.