淺析激光切割機(jī)的概念及其原理

一、什么是激光切割機(jī)？激光切割機(jī)的概念：

激光切割機(jī)是將從激光器發(fā)射出的激光，經(jīng)光路系統(tǒng)，聚焦成高功率密度的激光束。激光束照射到工件表面，使工件達(dá)到熔點(diǎn)或沸點(diǎn)，同時與光束同軸的高壓氣體將熔化或氣化金屬吹走。

隨著光束與工件相對位置的移動，最終使材料形成切縫，從而達(dá)到切割的目的。

激光切割加工是用不可見的光束代替了傳統(tǒng)的機(jī)械刀，具有精度高，切割快速，不局限于切割圖案限制，自動排版節(jié)省材料，切口平滑，加工成本低等特點(diǎn)，將逐漸改進(jìn)或取代于傳統(tǒng)的金屬切割工藝設(shè)備。激光刀頭的機(jī)械部分與工件無接觸，在工作中不會對工件表面造成劃傷；激光切割速度快，切口光滑平整，一般無需后續(xù)加工；切割熱影響區(qū)小，板材變形小，切縫窄（0.1mm~0.3mm）；切口沒有機(jī)械應(yīng)力，無剪切毛刺；加工精度高，重復(fù)性好，不損傷材料表面；數(shù)控編程，可加工任意的平面圖，可以對幅面很大的整板切割，無需開模具，經(jīng)濟(jì)省時。

與傳統(tǒng)的氧乙炔、等離子等切割工藝相比，激光切割速度快、切縫窄、熱影響區(qū)小、切縫邊緣垂直度好、切邊光滑，同時可激光切割的材料種類多，包括碳鋼、不銹鋼、合金鋼、木材、塑料、橡膠、布、石英、陶瓷、玻璃、復(fù)合材料等。隨著市場經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的日新月異，激光切割技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、電力、五金以及電器等領(lǐng)域。近年來，激光切割技術(shù)正以前所未有的速度發(fā)展，每年都以15%~20%的速度增長。我國自1985年以來，更是以每年近25%的速度增長。當(dāng)前，我國激光切割技術(shù)的整體水平與先進(jìn)國家相比還存在著不小的差距，因此，在國內(nèi)市場激光切割技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的應(yīng)用空間   。

激光切割機(jī)在切割過程中，光束經(jīng)切割頭的透鏡聚焦成一個很小的焦點(diǎn)，使焦點(diǎn)處達(dá)到高的功率密度，其中切割頭固定在z軸上。這時，光束輸入的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被材料反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)散的部分熱量，材料很快被加熱到熔化與汽化溫度，與此同時，一股高速氣流從同軸或非同軸側(cè)將熔化及汽化了的材料吹出，形成材料切割的孔洞。隨著焦點(diǎn)與材料的相對運(yùn)動，使孔洞形成連續(xù)的寬度很窄的切縫，完成材料的切割 。

當(dāng)前，激光切割機(jī)的外光路部分主要采用的是飛行光路系統(tǒng)。從激光發(fā)生器發(fā)出的光束經(jīng)過反射鏡1、2、3到達(dá)切割頭上的聚焦透鏡，聚焦后在待加工材料表面形成光斑。其中反射鏡片1固定在機(jī)身上不動；橫梁上反射鏡2隨著橫梁的運(yùn)動作x向運(yùn)動；z軸上的反射鏡片3隨z軸的運(yùn)動作y向的運(yùn)動。從圖中不難看出，在切割過程中，隨著橫梁作x向運(yùn)動，z軸部分作y向運(yùn)動，光路的長度時刻發(fā)生著變化   。

目前，民用激光發(fā)生器由于制造成本等原因，所發(fā)出的激光光束都具有一定的發(fā)散角，呈“錐形”。當(dāng)“錐形”的高度改變時（相當(dāng)于激光切割機(jī)光路長度改變），聚焦透鏡表面的光束橫截面面積也隨之改變。此外，光還具有波的性質(zhì)，因此，不可避免地會出現(xiàn)衍射現(xiàn)象，衍射會使光束在傳播過程中發(fā)生橫向擴(kuò)展，該現(xiàn)象存在于所有的光學(xué)系統(tǒng)中，能夠決定這些系統(tǒng)在性能方面的理論極限值。由于高斯光束呈“錐形”和光波的衍射作用，當(dāng)光路長度變化時，作用在透鏡表面的光束直徑時刻發(fā)生著變化，這就會引起焦點(diǎn)大小和焦點(diǎn)深度的變化，但對焦點(diǎn)位置的影響很小。如果焦點(diǎn)大小和焦點(diǎn)深度在連續(xù)加工中發(fā)生變化，必然會對加工產(chǎn)生很大影響，比如，會造成切割縫寬度不一致、在相同切割功率下會割不透或燒蝕板材等   。

二、激光切割機(jī)的原理：

激光是一種光，與其他自然光一樣，是由原子(分子或離子等)躍遷產(chǎn)生的。 但它與普通光不同是激光僅在最初極短的時間內(nèi)依賴于自發(fā)輻射，此后的過程完全由激輻射決定，因此激光具有非常純正的顏色，幾乎無發(fā)散的方向性、極高的發(fā)光強(qiáng)度和高相干性。

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，通過脈沖使激光器放電，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，形成一個個細(xì)微的、高能量密度光斑，焦斑位于待加工面附近，以瞬間高溫熔化或氣化被加工材料。每一個高能量的激光脈沖瞬間就把物體表面濺射出一個細(xì)小的孔，在計(jì)算機(jī)控制下，激光加工頭與被加工材料按預(yù)先繪好的圖形進(jìn)行連續(xù)相對運(yùn)動打點(diǎn)，這樣就會把物體加工成想要的形狀。

切縫時的工藝參數(shù)(切割速度，激光器功率，氣體壓力等)及運(yùn)動軌跡均由數(shù)控系統(tǒng)控制，割縫處的熔渣被一定壓力的輔助氣體吹除。