什么是激光切割機(jī)？激光切割的工作原理是什么？

發(fā)布人：萊塞激光發(fā)布時(shí)間：2021-12-27 10:39:45

【摘要】

激光切割機(jī)的光束直徑通常在 0.1 到 0.3 毫米之間，功率在 1 到 3 千瓦之間。該功率需要根據(jù)被切割的材料和厚度進(jìn)行調(diào)整。例如，要切割鋁等反射材料，您可能需要高達(dá) 6 kW 的激光功率。

顧名思義，激光切割機(jī)通過(guò)切割材料來(lái)創(chuàng)建圖案和設(shè)計(jì)。強(qiáng)大的激光束是熔化、燃燒或蒸發(fā)材料的源頭。

從本質(zhì)上講，激光切割是一種制造過(guò)程，它使用細(xì)的、聚焦的激光束將材料切割和蝕刻成設(shè)計(jì)師指定的定制設(shè)計(jì)、圖案和形狀。這種非接觸式、基于熱的制造工藝非常適合多種材料，包括木材、玻璃、紙張、金屬、塑料和寶石。它還能夠生產(chǎn)復(fù)雜的零件，而無(wú)需定制設(shè)計(jì)的工具。

背景

激光切割機(jī)的發(fā)明歸功于庫(kù)馬爾·帕特爾 (Kumar Patel)，他于 1961 年加入貝爾實(shí)驗(yàn)室時(shí)開(kāi)始了他對(duì)激光作用的研究。 1963 年，他開(kāi)發(fā)了第一臺(tái) C0 2激光器，這是比任何其他類(lèi)型都具有更多現(xiàn)代應(yīng)用的變體的激光。CO 2激光器用于雕刻從丙烯酸和膠合板到紙板和 MDF 的材料。

應(yīng)用

如今，激光切割已在電子、醫(yī)藥、航空航天、汽車(chē)和半導(dǎo)體等行業(yè)中找到了立足之地。最常見(jiàn)的應(yīng)用之一是切割金屬——無(wú)論是鎢、鋼、鋁、黃銅還是鎳——因?yàn)榧す饪商峁└蓛舻那懈詈凸饣谋砻?。激光還用于切割陶瓷、硅和其他非金屬。

也許激光切割技術(shù)最有趣的用途之一是在外科領(lǐng)域，激光束現(xiàn)在正在取代手術(shù)刀并被用于蒸發(fā)人體組織。這在眼科手術(shù)等高精度外科手術(shù)中尤其有用。

我們將在后面的部分討論更多應(yīng)用，但現(xiàn)在，讓我們看看激光切割過(guò)程是如何工作的。

什么是激光切割機(jī)？

激光切割的工作原理

什么是激光切割機(jī)？激光切割的工作原理是什么？(圖1)

激光切割不適用于鋁和銅合金等金屬，因?yàn)樗鼈兙哂谐錾膶?dǎo)熱和反光特性，這意味著它們需要強(qiáng)大的激光器。

以下是激光切割機(jī)的一些核心組件：

激光諧振腔：激光束從激光諧振腔發(fā)出，激光諧振腔是一個(gè)密封的玻璃管，帶有兩個(gè)面對(duì)面的鏡子。該管充滿(mǎn)CO 2和其他氣體，如氫氣、氮?dú)夂秃?。這些氣體的混合物由二極管或以光的形式發(fā)射能量的放電激活。

切割頭：光線(xiàn)在多個(gè)鏡子的幫助下向各個(gè)方向反射，這些鏡子經(jīng)過(guò)精心布置，以確保它到達(dá)激光切割頭。一旦光束到達(dá)切割頭，它就會(huì)通過(guò)一個(gè)彎曲的透鏡并被放大并聚焦到一個(gè)點(diǎn)上。正是在這個(gè)切割頭內(nèi)，激光變成了細(xì)而集中的光束，可以進(jìn)行切割或光柵化。聚焦的激光束在擊中板之前通過(guò)一個(gè)噴嘴，壓縮氣體如氮?dú)饣蜓鯕庖擦鬟^(guò)這個(gè)噴嘴。例如，如果您正在切割鋁或不銹鋼，激光束將在高壓氮?dú)鈱⑷廴诮饘俅党銮锌谥叭刍牧?。通常，切割頭連接到由鏈條或皮帶驅(qū)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)，這使它能夠在有限的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行精確的運(yùn)動(dòng)。透鏡的焦點(diǎn)需要在被切割材料的表面上，激光才能進(jìn)行實(shí)際切割。

噴嘴距離：在任何時(shí)候，板和噴嘴之間都保持準(zhǔn)確的距離。這個(gè)空間至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了焦點(diǎn)。通常，改變焦點(diǎn)會(huì)影響剪輯的質(zhì)量。其他幾個(gè)變量會(huì)影響切割質(zhì)量，包括光束強(qiáng)度和速度。

激光切割的三大品種

火焰/反應(yīng)車(chē)轍：輔助氣體是氧氣，在高壓（高達(dá) 6 巴）下吹入切口。加熱的材料（在這種情況下為金屬）與氧氣反應(yīng)并開(kāi)始燃燒和氧化。這種反應(yīng)會(huì)排出更多能量并輔助激光束。

熔融切割/熔化和吹塑：惰性氣體（通常是氮?dú)猓⑷刍牟牧洗党銮锌冢@著降低了所需的功率。材料首先被加熱直到達(dá)到其熔點(diǎn)，然后氣體將其吹出

遠(yuǎn)程切割：高強(qiáng)度激光束部分蒸發(fā)（燒蝕）材料，無(wú)需輔助氣體即可切割薄片。

切割 vs 雕刻 vs 打標(biāo)

一般來(lái)說(shuō)，激光切割機(jī)也應(yīng)該能夠雕刻和標(biāo)記。事實(shí)上，切割、雕刻和打標(biāo)之間的唯一區(qū)別在于激光的深度以及它如何改變材料的整體外觀(guān)。在激光切割中，來(lái)自激光的熱量會(huì)一直切割材料。但激光打標(biāo)和激光雕刻并非如此。

激光打標(biāo)會(huì)使被激光加工的材料表面變色，而激光雕刻和蝕刻會(huì)去除材料的一部分。雕刻和蝕刻的主要區(qū)別在于激光穿透的深度。

打標(biāo)和雕刻的區(qū)別如下：

激光打標(biāo)：在激光打標(biāo)中，激光不會(huì)完全穿透材料，而只會(huì)改變材料的特性或外觀(guān)。激光會(huì)產(chǎn)生高對(duì)比度標(biāo)記，因?yàn)榧す獾臒崃繒?huì)重新分布相關(guān)材料中的碳。

激光雕刻：在激光雕刻中，光束物理去除材料表面，留下一個(gè)空腔，揭示您的設(shè)計(jì)。激光將材料加熱到非常高的溫度，使其蒸發(fā)并形成空腔。

激光切割機(jī)的差異來(lái)自機(jī)器中激光器的類(lèi)型，而激光器的種類(lèi)決定了激光器可能能夠切割的材料厚度類(lèi)型。通常，高功率激光器非常適合需要切割大塊塑料或金屬的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用。另一方面，低功率激光器對(duì)塑料、卡片紙、紙張和木材等較薄的材料有效。

三種主要類(lèi)型的激光器是：

1. 氣體激光器/CO 2激光切割機(jī)

切割是使用電刺激的 CO 2 完成的。CO 2激光器是在由其他氣體（如氮?dú)夂秃猓┙M成的混合物中產(chǎn)生的。

CO 2激光器發(fā)射的波長(zhǎng)為 10.6 毫米，與具有相同功率的光纖激光器相比，CO 2激光器具有足夠的能量來(lái)穿透更厚的材料。當(dāng)用于切割較厚的材料時(shí)，這些激光器還可以提供更光滑的表面。CO 2激光器是最常見(jiàn)的激光切割機(jī)類(lèi)型，因?yàn)樗鼈兏咝?、便宜，并且可以切割和光柵化多種材料。

材料：玻璃、一些塑料、一些泡沫、皮革、紙制品、木材、亞克力

2. 水晶激光切割機(jī)

晶體激光切割機(jī)產(chǎn)生來(lái)自 nd:YVO（摻釹原釩酸釔）和 nd:YAG（摻釹釔鋁石榴石）的光束。它們可以切割更厚更堅(jiān)固的材料，因?yàn)榕c CO 2激光器相比，它們具有更小的波長(zhǎng)，這意味著它們具有更高的強(qiáng)度。但是由于它們的功率很大，因此它們的零件很快就會(huì)磨損。

材料：塑料、金屬和某些類(lèi)型的陶瓷

3. 光纖激光切割機(jī)

在這里，切割是使用玻璃纖維完成的。激光源自“種子激光”，然后通過(guò)特殊光纖放大。光纖激光器與盤(pán)式激光器和nd:YAG屬于同一類(lèi)別，屬于“固態(tài)激光器”家族。與氣體激光器相比，光纖激光器沒(méi)有移動(dòng)部件，能效提高兩到三倍，并且能夠切割反射材料而無(wú)需擔(dān)心背反射。這些激光器可以與金屬和非金屬材料一起工作。

雖然有點(diǎn)類(lèi)似于釹激光器，但光纖激光器需要較少的維護(hù)。因此，它們?yōu)榫w激光器提供了一種更便宜、更持久的替代方案

材料：塑料和金屬

在這三種激光器中，制造商和專(zhuān)業(yè)人士最常使用CO 2激光器。它們主要用于切割非金屬材料，盡管它們已經(jīng)演變?yōu)榍懈罱饘?，但它們?nèi)匀桓m合非金屬和有機(jī)材料（木材、皮革、橡膠）以及雕刻硬質(zhì)材料。

利弊

優(yōu)點(diǎn)