激光在在教學、軍事、工業(yè)上都有應用。其中激光切割機就是其應用之一。激光切割機在金屬與非金屬的切上都有運用。利用激光束使材料表面的融化。本文將講述激光切割機的原理。
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激光切割機原理——介紹
激光切割機技術(shù)采用激光束照射到金屬板材表面時釋放的能量。使金屬板材熔化并由氣體將溶渣吹走。由于激光力量非常集中，所以只有少量熱傳到金屬板材的其它部分，造成的變形很小或沒有變形。利用激光可以非常準確地切割復雜形狀的坯料，所切割的坯料不必再作進一步的處理。
激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率為500～5000瓦。該功率的水平比許多家用電暖氣所需要的功率還低，由于通過透鏡和反射鏡，激光束聚集在很小的區(qū)域。能量的高度集中能夠進行迅速局部加熱，使金屬板材溶化。
利用激光切割設(shè)備可切割16mm以下的不銹鋼，在激光束中加氧氣可切割8～10mm厚的不銹鋼，但加氧切割后會在切割面形成薄薄的氧化膜。切割的最大厚度可增加到16mm，但切割部件的尺寸誤差較大。
作為高科技的激光技術(shù)，自問世以來，就一直針對不同的社會需求研發(fā)出適合各行業(yè)的激光產(chǎn)品，如激光打印機，激光美容機，激光打標數(shù)控激光切割機機，激光切割機等產(chǎn)品，由于國內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)起步較晚，在技術(shù)研發(fā)上很大程度落后于一些發(fā)達國家，目前國內(nèi)的激光產(chǎn)品生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出來的激光產(chǎn)品，一些關(guān)鍵的零配件如激光管，驅(qū)動馬達，振鏡，聚焦鏡等還是采用進品的。這就造成了成本的上升，也加重了消費者的承擔。
近年來，隨著國內(nèi)激光技術(shù)的進步，在整機及一些零配件的研發(fā)生產(chǎn)上已逐漸向國外先進產(chǎn)品靠攏。在某些方面甚至優(yōu)于國外產(chǎn)品，再加上介格的優(yōu)勢，在國內(nèi)市場還是占據(jù)主導地位。但是在一些精密加工及設(shè)備、穩(wěn)定性和耐性方面，國外先進產(chǎn)品還是占據(jù)絕對的優(yōu)勢的。
激光切割機原理——原理
在激光切割機中，其主要工作的是激光管，因此我們要了解激光管。
都清楚的知道激光設(shè)備中，激光管的重要性，下面就以現(xiàn)今最為普遍的一種激光管來進行判定。CO2激光管!
激光管的組成是采用一種硬質(zhì)的玻璃制造的，因此是一種易碎，易裂的物質(zhì)。要想了解CO2激光管，就必須先要了解激光管的結(jié)構(gòu)，像這種二氧化碳激光器采用的都是層套筒式結(jié)構(gòu)，最為里面的是一層放電管。然而二氧化碳的激光器放電管的直徑比激光管的本身都還要粗，放電管的粗細跟光斑的大小所引起的衍射反應成為一種正比，管長的長短跟放電管的輸出功率也形成了一種比例。
激光切割機在運作過程中，激光管會產(chǎn)生很大熱量，影響了切割機正常工作，因此需要特域冷水機來冷卻激光管，確保激光切割機在恒溫狀態(tài)下正常工作。200W的激光器選用CW-6200就可以了，制冷量5.5KW;650W的激光器要選用CW-7800，制冷量能達到23KW。
激光切割機原理——切割特點
激光切割的優(yōu)點：
優(yōu)點Ⅰ——效率高
因激光的傳輸特性，激光切割機上一般配有多臺數(shù)控工作臺，整個切割過程可以全部實現(xiàn)數(shù)控。操作時，只需改變數(shù)控程序，就可適用不同形狀零件的切割，既可進行二維切割，又可實現(xiàn)三維切割。
優(yōu)點Ⅱ——速度快
功率為1200W的激光切割2mm厚的低碳鋼板，切割速度可達600cm/min;切割5mm厚的聚丙烯樹脂板，切割速度可達1200cm/min。材料在激光切割時不需要裝夾固定。
優(yōu)點Ⅲ——切割質(zhì)量好
一：激光切割切口細窄，切縫兩邊平行并且與表面垂直，切割零件的尺寸精度可達±0.05mm。
二：切割表面光潔美觀，表面粗糙度只有幾十微米，甚至激光切割可以作為最后一道工序，無需機械加工，零部件可直接使用。
三：材料經(jīng)過激光切割后，熱影響區(qū)寬度很小，切縫附近材料的性能也幾乎不受影響，并且工件變形小，切割精度高，切縫的幾何形狀好，切縫橫截面形狀呈現(xiàn)較為規(guī)則的長方形。激光切割、氧乙炔切割和等離子切割方法的比較見表1，切割材料為6.2mm厚的低碳鋼板。
優(yōu)點Ⅳ——切割非接觸
激光切割時割炬與工件沒有直接接觸，不存在有工具的磨損。加工不同形狀的零件，不需要更換“刀具”，只需改變激光器的輸出參數(shù)。激光切割過程噪聲低，振動小，污染小。
優(yōu)點Ⅴ——可切割材料多
與氧乙炔切割和等離子切割比較，激光切割材料的種類多，包括金屬、非金屬、金屬基和非金屬基復合材料、皮革、木材及纖維等。
激光切割機原理——切割方式
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是指被加工材料的去除主要是通過使材料汽化的方式進行的。
在汽化切割過程中，工件表而在聚焦激光束的作用下，溫度迅速上升到汽化溫度，材料大量汽化，形成的高壓蒸氣以超音速向外噴射。同時在激光作用區(qū)內(nèi)形成“孔洞”，激光束在孔洞內(nèi)多次反射又使材料對激光的吸收豐迅速提高。
在高壓蒸氣高速噴射的過程中，切縫內(nèi)的熔融物被同時從切縫處吹走，直至將工件切斷。內(nèi)于汽化切割主要靠使材料汽化的方式進行，因此所需的功率密度很高，一般應達到每平方厘米就有10的八次方瓦以上。
汽化切割是激光切割一些低燃點材料(如木材、碳和某些塑料)以及難熔性材料(如陶瓷等)時常采月的方法。用脈沖激光器切割材料時也多采用汽化切割的方法。
Ⅱ反應熔化切割
在熔化切割中.如果輔助氣流不僅僅是把切縫內(nèi)的熔融物吹走，而且還能夠與工件發(fā)生改熱反應，使切割過程增加另—熱源，這樣的切割稱為反應熔化切割。通常能與工件發(fā)生反應的氣體是氧氣或含有氧氣的混合氣休。
當工件表面溫度達到燃點溫度時，就會發(fā)生強烈的燃燒放熱反應，可大大提高激光切割的能力。對于低碳鋼和不銹鋼，燃燒放熱反應提供的能量是60%。對于鈦等活性金屬，燃燒提供的能量大約是90%。
因此，反應熔化切割與激光汽化切割、—般熔化切割相比，所需的激光功率密度更低，僅為汽化切割的1/20，熔化切割的1/2。然而，在反應熔化切割中，內(nèi)于燃燒反應會使材料表面發(fā)生一些化學變化，從而對工件的性能會有影響。
Ⅲ熔化切割
在激光切割過程中，如果增加一個與激光束同軸的輔助吹氣系統(tǒng)，使切割過程中熔融物的去除不是單靠材料汽化本身，而主要是依靠高速輔助氣流的吹動作用，將熔融物連續(xù)不斷地從切縫中吹走，這樣的切割過程稱為熔化切割。
在熔化切割過程中，工件溫度不再需要被加熱到汽化溫度以上，因此所需的激光功率密度可大大降低。由材料熔化與汽化的潛熱比可知，熔化切割所需激光功率僅為汽化切割方法的1/10。
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這種方法主要用于：半導體材料;利用功率密度很高的激光束在半導體構(gòu)料工件表面劃出—個個淺的溝槽，由于這種溝槽削弱了半導體材料的結(jié)合力.可通達機械的方法或振動的方法使其斷裂。激光劃片的質(zhì)量用表面碎片和熱影響區(qū)的大小來衡量。
Ⅴ冷切割
這是一種新型加工方法，是隨著最近幾年紫外波段的高功率準分子激光器的出現(xiàn)而提出來的。它的基本原理：紫外光子的能量同許多有機材料的結(jié)合能相近，用這樣的高能光子去撞擊有機材料的結(jié)合鍵并使其破裂。從而達到切割的目的。這種新技術(shù)具有廣闊的應用前景，持別是在電子行業(yè)中的應用會很廣。
Ⅵ熱應力切割
脆性材料在激光束的加熱下.其表面易產(chǎn)生較大的應力.從而能夠整齊、迅油地通過激光加熱的應力點引起斷裂.這樣的切割過程稱為激光熱應力切割。熱應力切割的機理為：激光束加熱脆性材料的某一區(qū)域.使其產(chǎn)生明顯的溫度梯度。
工件表面溫度較高要發(fā)生膨脹.而工件內(nèi)層溫度較低要阻礙膨脹，結(jié)果在工件表面產(chǎn)生拉應力.內(nèi)層產(chǎn)生徑向的擠壓應力。當這兩種應力超過工件本身的斷裂極限強度時。便會在工件上出現(xiàn)裂紋。使得工件沿裂紋斷開。熱應力切割的速度—股為m/s量級。這種切割方法適用于切割玻璃、陶瓷等材料。
總結(jié)：激光切割機是利用激光特性以及鏡片聚焦使能量集中將材料表面融化或氣化的一種切割技術(shù)。可以做到切割質(zhì)量好、速度快、切割材料多、效率高等優(yōu)點。
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