淺談激光切割機(jī)

羅凱君　齊東平　李朝飛　劉璐琦　張運(yùn)通

【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；中國(guó)制造2025

【Abstract】This article simply introduces the principle of laser and the wide application of laser cutting technology and laser cutting machine operation steps， and 4.0 in the industry and made in China under the background of 2025， envisages a laser cutting machine in the future development direction

【Key words】Laser； Laser cutting； Image mosaic； Made in China 2025 strategy

0 引言

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。

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(chēng)LASER的音譯，英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞的頭一個(gè)字母組成的縮寫(xiě)詞[1]。意思是“受激輻射的光放大”。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[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(guó)民生活的各個(gè)領(lǐng)域，如汽車(chē)、機(jī)車(chē)車(chē)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(mén)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(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[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(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。激光切割設(shè)備通常采用計(jì)算機(jī)化數(shù)字控制技術(shù)（CNC）裝置。[3]

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(hù)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(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。

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(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。

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。

4 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(lèi)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(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)[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(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(lèi)，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.

[3]劉向陽(yáng).激光切割的基本原理及新進(jìn)展[J].蘇南科技開(kāi)發(fā)，2004（11）：42-43.

[4]孔曉東，王松，趙凱華.激光切割技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].熱加工工藝，2012，9（5）：215.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]