激光切割機(jī)（laser cutting machine）是光、機(jī)、電一體化高度集成設(shè)備，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(shí)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(duì)位置的移動(dòng)，最終使材料形成切縫，從而達(dá)到切割的目的。與傳統(tǒng)機(jī)加工相比，激光切割具有精度高、切割快速、不局限于切割圖案限制、自動(dòng)排版節(jié)省材料、切口平滑、加工成本低等特點(diǎn)。激光切割機(jī)按其激光器類型可以分為光纖激光切割機(jī)、CO2氣體激光切割機(jī)，以及YAG激光切割機(jī)等。
1917年，null根據(jù)量子躍遷概念給出null輻射公式的另一種詮釋，提出受激輻射理論，后發(fā)展為激光技術(shù)的理論基礎(chǔ)。1960年7月7日，西奧多·梅曼成功制成了世界上第一臺(tái)null激光器，用于鉆石切割，激光切割機(jī)主要由主機(jī)、數(shù)控傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等組成。
激光切割已廣泛地應(yīng)用于汽車、機(jī)械、電力、五金、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。
歷史沿革
1917年，愛因斯坦在 "Zur Quantentheorie der Strahlung"（"關(guān)于輻射的量子理論"）一文中，通過對(duì)馬克斯·普朗克的輻射定律的重新演繹，提出了自發(fā)吸收、自發(fā)輻射和受激輻射的概念，為激光奠定了理論基礎(chǔ)。
1960年5月15日，加利福尼亞州休斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家西奧多·梅曼宣布獲得了波長(zhǎng)為694.3微米的激光，這是人類有史以來獲得的第一束激光，1960年7月7日，《》首先披露梅曼成功制成了世界上第一臺(tái)激光器，梅曼的方案是利用一個(gè)高強(qiáng)閃光燈管來激發(fā)紅寶石。1960年，伊朗物理學(xué)家阿里·賈文（Ali Javan）和小威廉·拉爾夫·貝內(nèi)特（William R. Bennett Jr.）以及唐納德·赫里奧特（Donald R. Herriott）使用氦和制造了第一臺(tái)氣體連續(xù)激光器（632.8nm）。
在西奧多·梅曼宣布世界上第一臺(tái)激光器誕生后不久，科學(xué)家（Николай Геннадиевич Басов）于1960年發(fā)明了半導(dǎo)體激光器。1965年，第一臺(tái)可產(chǎn)生大功率激光的二氧化碳激光器誕生。
1967年，英國(guó)的（The Welding Institute）成功地將脈沖CO2激光用于切割材料，標(biāo)志著激光切割技術(shù)的誕生。此后，金屬加工企業(yè)紛紛開始使用激光切割技術(shù)切割薄鋼板。到80年代初，各國(guó)制造業(yè)公司更加重視激光切割機(jī)技術(shù)，激光切割開始以新興產(chǎn)業(yè)形式滲透至各行各業(yè)。近年來，激光切割機(jī)在制造方面的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯，歐美日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)激光切割機(jī)的需求以每年超過20%的速度增長(zhǎng)，迅速形成新興產(chǎn)業(yè)鏈。
1985年，山東濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所生產(chǎn)了首臺(tái)精密激光切割機(jī)，2000年，該所開發(fā)制造出LC型交換式雙工作臺(tái)雙邊驅(qū)動(dòng)數(shù)控精密激光切割機(jī)。
2003年3月，中科院長(zhǎng)春光機(jī)與物理研究所研制的“數(shù)控激光管材加工設(shè)備”，標(biāo)志著中國(guó)制造先進(jìn)裝備的能力己達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。之后，華工科技成功推出國(guó)產(chǎn)化高性能激光切割機(jī)。
2006年，中國(guó)自主研發(fā)出的激光切割產(chǎn)品已達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。中國(guó)制造業(yè)在2003~2009年期間獲得了迅速的發(fā)展也對(duì)質(zhì)量提出了更高的要求，激光切割機(jī)的需求量也有了明顯的提高。
基本原理
激光作為不可見光的一種，與自然界可見光一樣，都是由激發(fā)態(tài)的原子在高能級(jí)和低能級(jí)之間躍遷產(chǎn)生的光子形成的。但是激光和可見光的不同之處在于，可見光是由光源中原子自始至終自發(fā)輻射產(chǎn)生的。而激光則僅在開始的時(shí)間內(nèi)依賴于自發(fā)輻射，然后完全由受激輻射發(fā)射出光子。正是激光器發(fā)出的幾乎所有的光都是由受激輻射形成的，這使得激光發(fā)出的光子具有相同頻率、相同波長(zhǎng)、和完全相同的傳播。
激光切割是利用高功率密度的激光束掃描過材料表面，在極短時(shí)間內(nèi)將材料加熱到幾千至上萬攝氏度，使材料熔化或汽化。光束經(jīng)切割頭的透鏡聚焦成一個(gè)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。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，與此同時(shí)，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(duì)運(yùn)動(dòng)，使孔洞形成連續(xù)的寬度很窄的切縫，完成材料的切割。其加工原理如下圖。
激光切割機(jī)主要有三種切割方式：
（1）激光汽化切割：在高能量密度激光柬作用下，材料瞬間達(dá)到熔點(diǎn)，汽化，蒸氣噴出速度很大，在材料蒸氣噴出同時(shí)形成切口。
（2）激光熔化切割：激光加熱使材料熔化，通過與光束同軸的噴嘴噴出高壓氣體，將液態(tài)金屬排出形成切口。
（3）激光氧氣切割：激光只是作為預(yù)熱熱源，應(yīng)用高壓氧氣作為切割氣體，氧氣與金屬反應(yīng)并放出大量反應(yīng)熱，高壓氧氣將熔融氧化物和熔化物從反應(yīng)區(qū)吹出，形成切口。
主要結(jié)構(gòu)
激光切割機(jī)主要由主機(jī)、數(shù)控動(dòng)力系統(tǒng)、數(shù)控傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。其外光路部分主要采用飛行光路系統(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(dòng)；橫梁上反射鏡2隨著橫梁的運(yùn)動(dòng)作x向運(yùn)動(dòng)；z軸上的反射鏡片3隨z軸的運(yùn)動(dòng)作y向的運(yùn)動(dòng)。典型的CO2激光切割設(shè)備的基本構(gòu)成如下圖。
主機(jī)
主機(jī)主要由床身、工作臺(tái)等基礎(chǔ)件組成，床身分為開式和閉式兩種，開式床身結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，工件放置方便。閉式床身剛性好，適合于較大激光切割機(jī)的結(jié)構(gòu)。主機(jī)上的工作臺(tái)用于支撐被切割的工件，支撐多采用多個(gè)頂尖結(jié)構(gòu)，但也有采用多個(gè)圓球來支撐的：工作臺(tái)側(cè)面裝有鋼板的定位和夾緊裝置。
動(dòng)力系統(tǒng)
切割機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)通常采用電動(dòng)機(jī)，它通過電流驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的定子和轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力。動(dòng)力系統(tǒng)的輸出軸通常連接到傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪、皮帶、鏈條等傳動(dòng)裝置，將化學(xué)能（內(nèi)燃機(jī)）或電能（電動(dòng)機(jī)）轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，提供切割機(jī)運(yùn)動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)力。
傳動(dòng)系統(tǒng)
數(shù)控激光切割機(jī)要求定位精度通常<0.05mm/300mm，因此，一般采用半閉環(huán)控制。半閉環(huán)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件為直流伺服或交流伺服電機(jī)，由于激光切割機(jī)只需保證運(yùn)動(dòng)部件的可靠移動(dòng)，所以常采用脈寬調(diào)制寬調(diào)速的慣量直流電機(jī)，或交流伺服電機(jī)，電機(jī)直接與滾珠絲杠相連接而帶動(dòng)割炬滑板或活動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。在選擇交流伺服電機(jī)時(shí)，因電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，特別應(yīng)注意電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與機(jī)械渠置轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的匹配。有時(shí)為了結(jié)構(gòu)需要 (例如z軸)或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的匹配，需要加級(jí)齒形帶輪的減速。
控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)通過各種來感知切割機(jī)的狀態(tài)和環(huán)境條件，并進(jìn)行處理和分析，生成控制信號(hào)。這些信號(hào)會(huì)傳送到傳動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)而控制切割工具的運(yùn)動(dòng)、切割精度、切割速度等參數(shù)。控制系統(tǒng)通常還具備故障檢測(cè)和保護(hù)功能，它可以監(jiān)測(cè)切割機(jī)的運(yùn)行情況，檢測(cè)到異常或故障時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)并采取相應(yīng)的措施，以避免進(jìn)一步損壞。
切割工具
激光切割機(jī)的激光切割頭是實(shí)現(xiàn)切割功能的重要組件，激光切割頭通常與機(jī)身固定連接，并能夠進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和移動(dòng)。
冷卻系統(tǒng)
激光器工作過程將電能轉(zhuǎn)換為高能激光，但由于光電轉(zhuǎn)換率還普遍不高，存在一定的能量損耗，這些損耗能量大部分轉(zhuǎn)換為熱量，過多的熱損耗會(huì)使激光器內(nèi)部器件溫度過高，進(jìn)而影響器件的性能及壽命，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞內(nèi)部器件，因此必須設(shè)置冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)的好壞直接影響激光光束質(zhì)量、激光效率、工作可靠性，冷卻系統(tǒng)主要包括水箱、水泵、冷卻器、壓縮機(jī)、冷凝器等。
主要分類
CO2氣體激光切割機(jī)
CO2氣體激光切割機(jī)是一種采用CO2氣體作為工作介質(zhì)的激光切割機(jī)。它通過放電將CO2氣體分子電離產(chǎn)生高能量的CO2激光束，然后通過反射鏡和聚焦鏡將激光束引導(dǎo)到型材表面上，形成一個(gè)高溫熔點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)型材的切割。CO2氣體激光切割機(jī)具有功率大、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合于對(duì)厚板金或非金屬材料（如木材、塑料、玻璃等）的寬范圍切割。
激光切割機(jī)是從1964年發(fā)明二氧化碳氣體激光(即C02激光)之后，以金屬加工領(lǐng)域?yàn)橹行拈_始得以使用，但是由于激光的輸出功率較小的緣故，在薄板加工為主的金行業(yè)作為替代沖床的技術(shù)而發(fā)展起來的。發(fā)明C02激光約25年后的1989年，推出了搭載千瓦級(jí)高輸出功率C02激光發(fā)生器的大型激光切割機(jī)(搭載型激光切割機(jī))。同時(shí)在中厚板的碳鋼切割領(lǐng)域也開始使用起來。之后，隨著激光發(fā)生器及切割機(jī)、外圍裝置的不斷改進(jìn)，已達(dá)到25mm左右的切割板厚，從而使激光切割機(jī)與氣體切割機(jī)、帶電粒子弧切割機(jī)一樣，在造船、橋梁、建筑和剪力加工等行業(yè)廣泛使用。
YAG激光切割機(jī)
YAG(鋁石榴石晶體)激光切割機(jī)，是指采用固體YAG激光器，此類激光切割機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有懸臂式和龍門式兩種，龍門式又分為雙邊齒輪齒條驅(qū)動(dòng)和螺絲螺母絲桿驅(qū)動(dòng)兩種。
YAG激光切割機(jī)非常適用于金屬材料切割也可應(yīng)用于金屬焊接，是一款多功能的加工設(shè)備。該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠、加工質(zhì)量好、效率高、操作簡(jiǎn)單維護(hù)方便，是一款性價(jià)比非常高的產(chǎn)品。
光纖激光切割機(jī)
光纖激光切割機(jī)是利用光纖激光發(fā)生器作為光源的激光切割機(jī)。光纖激光器是國(guó)際上新發(fā)展的一種新型光纖激光器，它輸出高能量密度的激光束，并聚集在工件表面上，使工件上被超細(xì)焦點(diǎn)光斑照射的區(qū)域瞬間熔化和氣化，通過數(shù)控機(jī)械系統(tǒng)移動(dòng)光斑照射位置而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割。
光纖激光切割機(jī)具有光束質(zhì)量號(hào)、切割精度高、速度快、靈活性好、切口質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，它也具有較高的能源效率和較低的維護(hù)成本，使其在許多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
相關(guān)指標(biāo)
激光切割功率
激光切割的表面質(zhì)量主要由激光束的空間形狀決定，而激光束的空間形狀由激光器的諧振腔決定，且在給定邊界條件下，電磁場(chǎng)在圓形對(duì)稱腔中具有簡(jiǎn)單的橫向電磁場(chǎng)的空間形狀，腔內(nèi)的橫向電磁分布稱為腔內(nèi)橫模，用TEM表示。這就是激光功率越小切割出來的產(chǎn)品質(zhì)量越好的原因。所以實(shí)際操作中，在不影響切割效率的前提下，盡量減小激光切割功率。
噴嘴直徑
噴嘴一般用紫銅制造，體積較小，是易損零件，需經(jīng)常更換。在使用時(shí)從噴嘴側(cè)面通入一定壓力從噴嘴出口噴出，經(jīng)一定距離到達(dá)工件表面，其壓力稱切割壓力Pc，最后氣體膨脹到大氣壓力Pa。隨著Pn的增加，氣流流速增加，Pc也不斷增加。
切割速度
若切割速度過快，則切口下緣乃至切割面上會(huì)粘渣，甚至割不透工件；速度過慢，則效率低下，切割面不光滑，切口下緣沾渣。實(shí)際使用中在不影響切割質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡可能以相對(duì)較高的速度進(jìn)行切割。
鏡頭尺寸和焦點(diǎn)位置
激光切割的優(yōu)點(diǎn)之一是光束的能量密度高，一般>10W/cm2。由于能量密度與4/πd12（d1為焦點(diǎn)光斑直徑）成正比，所以d1應(yīng)盡可能的小，以便產(chǎn)生窄的切縫。同時(shí)d1還和透鏡的焦深成正比，焦深越小，d1就越小。但切割有飛濺，透鏡離工件太近容易被損壞，因此一般大功率CO2 激光切割工業(yè)應(yīng)用中廣泛采用5″~7.5″（127～190 mm）的焦距，實(shí)際焦點(diǎn)光斑直徑在0.1~0.4 mm 之間。
對(duì)于高質(zhì)量的切割，有效焦深還和透鏡直徑及被切材料有關(guān)。因此控制焦點(diǎn)相對(duì)于被切材料表面的位置十分重要。考慮到切割質(zhì)量、切割速度等因素，原則上厚度<6 mm的金屬材料，焦點(diǎn)在表面上；厚度>6 mm 的碳鋼，焦點(diǎn)在表面之上；厚度>6 mm的不銹鋼，焦點(diǎn)在表面之下。通常切割厚度為4mm以下材料時(shí)，選用5″鏡頭。飛行光路切割機(jī)切割近端和遠(yuǎn)端時(shí)光程長(zhǎng)短不同，聚焦前的光束尺寸有一定差別。入射光束的直徑越大，焦點(diǎn)光斑的直徑越小。為了減少因聚焦前光束尺寸變化帶來的焦點(diǎn)光斑尺寸的變化，飛行光路切割機(jī)上增加x、y方向的補(bǔ)償光路系統(tǒng)。即當(dāng)切割遠(yuǎn)端光程增加時(shí)使補(bǔ)償光路縮短；反之當(dāng)切割近端光程減小時(shí)，使補(bǔ)償光路增加，以保持光程長(zhǎng)度一致。
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
數(shù)控激光切割機(jī)：GB/T 34380-2017規(guī)定了數(shù)控激光切割機(jī)的型式、基本參數(shù)型號(hào)、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、標(biāo)志、包裝、貯藏和運(yùn)輸，由中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)于2017年10月14日發(fā)布。
應(yīng)用領(lǐng)域
制造業(yè)
激光切割機(jī)在制造業(yè)中有廣泛的應(yīng)用，可以用于各種材料的切割、切削和加工。在金屬加工方面，切割機(jī)可以用于金屬材料的切割和切削，包括鋼材、鋁材、等，幫助制造商在制造金屬零件、零配件、機(jī)器構(gòu)件等過程中實(shí)現(xiàn)精確的切割和輪廓加工。在汽車制造過程中，切割機(jī)可以用于切割車身板材、底盤零部件、排氣系統(tǒng)等。在造船業(yè)中，切割機(jī)常用于切割鋼板和鋁板，用于制造船體的各種零部件。高壓水切割機(jī)在造船中也得到廣泛應(yīng)用，能夠在大型鋼板上進(jìn)行精確的切割和鉆孔。
建筑和裝飾行業(yè)
在建筑和裝飾中使用的石材需要經(jīng)過精確的切割和加工，以適應(yīng)各種設(shè)計(jì)要求。切割機(jī)可以用于切割和加工大理石、花崗石、石英石等石材，制作石材臺(tái)面、地板、墻壁和其他石材制品。切割機(jī)在門窗制造過程中也常用于切割、塑料型材等，以適應(yīng)不同尺寸和形狀的門窗需求。
洗煤廠
激光切割機(jī)解決了洗煤廠用濾布傳統(tǒng)人工裁剪加工造成的勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、精度差、裁剪損耗較多等問題，通過設(shè)計(jì)研發(fā)激光濾布自動(dòng)切割機(jī)，代替了傳統(tǒng)手工裁剪，實(shí)現(xiàn)了全程自動(dòng)化作業(yè)，做到了高效率、高精度、低損耗地切割濾布，實(shí)現(xiàn)了減人增效和提效增效。
消防救援
激光切割機(jī)在消防救援中可以幫助救援人員迅速切割和拆除各種材料，并提供快速、有效的救援行動(dòng)。這些切割工具通常設(shè)計(jì)為便攜式、高性能的設(shè)備，以應(yīng)對(duì)各種緊急救援場(chǎng)景。切割機(jī)在車輛事故救援、建筑物救援、管道救援、高空救援、水下救援等各種救援行動(dòng)中發(fā)揮著重要的作用。
發(fā)展趨勢(shì)
智能化和自動(dòng)化
隨著工業(yè)4.0和智能制造的推進(jìn)，切割機(jī)將更加智能化和自動(dòng)化。這包括集成更多的進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用高級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程、自動(dòng)調(diào)整切割參數(shù)等。同時(shí)，可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接至云端，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的信息互通和遠(yuǎn)程監(jiān)控。
高精度和高速度
切割機(jī)將不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)和切割技術(shù)，提高切割精度和速度。高精度的切割能夠滿足對(duì)復(fù)雜零件和高性能金屬材料的加工需求，高速度切割則有助于提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。
綠色環(huán)保
面對(duì)日益嚴(yán)格的環(huán)保要求和節(jié)能減排政策，切割機(jī)將朝著更節(jié)能、低排放的方向發(fā)展。這意味著改進(jìn)切割過程中的能耗控制、提高設(shè)備的能源利用率、降低切割過程中的材料浪費(fèi)和污染物排放。
多功能一體化
為滿足不同行業(yè)的個(gè)性化需求，切割機(jī)將發(fā)展成為具有多種切割功能的一體化設(shè)備，例如：結(jié)合切割、雕刻、鉆孔等多種功能；同時(shí)兼容不同類型的切割技術(shù)，如激光切割、水切割、等離子切割等。
參考資料 >
基于調(diào)制光注入半導(dǎo)體激光器獲取寬帶頻率梳研究.中國(guó)知網(wǎng).2023-11-26
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