激光切割理论及切割机工作原理简

1、激光切割理论及切割机工作原理2激光原理及切割应用介绍激光原理 激光即Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation，意思为是一种因刺激产生辐射而强化放大的光。缩写为LASER，激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。 在日常生活中上激光的运用日益普遍，例如常用的激光指示器与用来读取光盘资料的光驱(如蓝光)等等。在工业上，激光常用于微细加工与精密量测两大类。在军事上，应用在拦截导弹及瘫痪卫星的远程武器。甚至广泛应用医学上。现在激光已成为各行各业中的重要装置，用途那么广泛，究竟它是如何产生的呢？以下我们将会阐释激光的基本

2、原理。3要了解激光的基本原理，必须先了解原子的构造。原子由原子核与在周围绕转的电子构成，电子在一定的轨道绕转，各轨道各有一定的能量，离原子愈远的轨道能阶愈高。下图为碳原子构成示意图。4量子理论提出物质与辐射的作用有三个基本的跃迁过程:1.自发吸收(a):电子吸收光子从低能阶跃迁到高能阶。2.自发辐射(b):电子自发地释放光子从高能阶跃迁到较低 能阶。3.受激辐射(c):光子射入诱发电子从高能阶跃迁到低能阶 ，并释放光子。入射光子与释放的光子有 相同的特微，即它们的频率、相偏极方向 和传播方向均为一致， 即为激光。5激光的发射原理 在平衡状态下，原子的受激态大约只能维持极短时间，而且大部分的原子

3、都在稳定的基态，只有少数的原子在受激态，所以不容易造成连锁反应。如果在外来能量激发下，使物质中大部分的原子都处于高能阶数，此时在高低能阶的数目分布称粒数分布倒反(population inversion)(或译群数反转)，它是产生激光必备之条件。此时少量的光子就能够藉受激辐射的连锁反应来产生激光了。6产生激光具备下列三要素:1.激光介质：即受激发后能生粒数分布倒反的现象。不同的介质，其输出光的波长亦不同，所以常以介质来命名，例如用红宝石做为介质，就产生红宝石激光。介质可以是固体(红宝石激光)，液体(染料激光)，或气体(二氧化碳激光、准分子激光)。激光介质不同，发出来的光颜色也不同，也有不同的特

4、性及应用。 2.激发装置：激发装置是指将某种造型之能量加入介质，使其激发至高能阶的数目大增，并产生粒数分布倒反的装置。通常激发有放电激发法、光激发法、电流激发法、化学激发和其他激发法。3.共振腔：在介质两端加同光轴的反射镜，称为共振腔，前面是半反射镜片，而后面是全反射镜片。作用是让激光在共振腔内来回反射，使被激发的光经过介质多次激发得到足够的放大，当放大到可以穿透半反射镜时，激光便从半反射镜发射出去。7激光是通过受激辐射产生，其特性有四个特点： 高亮度性：激光是具有相当平行的光，具有低发散性，所以在光轴上单位面积上会高度的集中能量，就会造成很亮的效果，所以激光是具有高亮度的光源特性。 高方向性

5、：激光是相当平行具有低发散性有高度指向性，能把能量高度地集中起来，因此就有很大的威力。任何光源射出光束在传播时均会有扩散的现象，向四面八方发散后，会迅速变弱。激光利用高方向性，可以应用在通讯、测量。 单色性：激光是由单一波长、频率，具有相同特微的光子组成，以致从外观看起来，激光光束的颜色都非常地质纯具有单色性。高相干性：激光组成光子都有相同的波长、频率，所以将其叠加起来便产生高度的相干性。普通光源由许多不同频率者所组成所以相干性极差。激光的高相干性能形成干涉现象，进而发展运用了干涉现象的高精度量测。8激光应用 激光是20世纪的新光源，其具有各项特点得到广泛应用，现在已开发多种应用激光的技术，如

6、激光能源和激光冷却。激光加工更是激光应用中最有发展前景的领域之一。 激光的空间和时间控制性很好，对加工物件的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用自动化加工。激光加工系统与电脑数控技术相结合更可构成高效自动化加工设备，更有效发展出优质、高效率和低成本的加工生产环境。 激光加工应用可约略区分热加工和冷加工，热加工有切割、打孔、刻槽、标记、焊接、表面处理均极有利。在冷加工则对光化学沉积，激光快速成形技术，激光刻蚀，掺染和氧化都很合适。其激光加工均可应用在金属和非金属材料上。以下主要说明激光切割的应用领域。9激光切割原理 激光切割是一种高能量密度可控性好的无接触加工。激光切割是利用激光器

7、所发出的激光束，经聚焦透镜聚焦，将激光能量聚集在极小的焦点光斑处，使焦点处激光功率密度可高达106109W/cm2。材料处于焦点受到高功率密度的激光光斑照射后，会产生10000C 以上的局部高温，使材料瞬间熔化甚至汽化，进而利用激光束或材料相对移动使孔洞连续形成宽度很窄的切缝而将材料切割开。 激光切割技术广泛被应用于金属和非金属材料的加工，可减少加工时间，降低加工成本，提高工件品质。但激光在切割应用上还是有局限和缺点，比如用激光来切割食物和胶合板就不算成功，食物被切开的同时也会被灼烧了，而切割胶合板在经济上还远不合划算。10激光切割工艺主要特性激光束聚焦后形成具有极强能量并保持在极小的区域内，

8、把它应用于切割有许多特点。(1)狭窄的割缝。(2)最小的邻近切边的热影响区。(3)极小的局部变形。激光切割是无接触切割工具，对工件不施加任何力。(1)工件无机械变形。(2)无刀具磨损，也谈不上刀具的转换问题。(3)切割材料无须考虑硬度，即激光切割能力不受被切材 料的硬度影响，任何硬度的材料都可以切割。激光束可控性强，并有高的适应性和柔性。(1)与自动化设备相结合很方便，容易实现制程自动化。(2)不存在割工件的限制，激光束具有仿形切割能力。(3)与计算器结合，可整张板排料，节省材料。11激光切割实际运用 实际运用激光切割加工时会依照材料或工艺加入与材料相适应的辅助性气体，以达到需求的工艺效果。

9、激光加工钢材等金属材料切割时会用氧作为辅助气体，增加助燃反应，加速材料熔化，同时帮助吹走割缝的熔渣。加工聚丙烯一类塑料使用压缩空气，使材料不会过度烧熔。加工棉、纸等易燃材料切割时使用惰性气体，防止材料氧化。 辅助气体在切割过程中还能吹走熔渣或保护切缝不被氧化，藉以提高加工效率及品质。进入喷嘴时还能冷却相关透镜防止镜片过热及防止烟尘进入污染镜片。 大多数金属材料，不管它具有什么样的硬度，都可进行激光切割加工。当然，对高反射率材料，如金、银、铜和铝合金，它们也是好的传热导体，因此激光切割很困难，甚至不能切割。12激光切割机工作原理介绍悬臂式切割机 龙门切割机 13激光切割机工作原理 激光切割机是运

10、用调整聚焦镜将激光光束聚焦在材料表面，使材料熔化穿透，并使激光光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝；相对的运动控制再结合数控技术不断的完善发展，目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。 激光切割设备是光、机、电一体化的综合技术结合。激光光束的参数、机器与数控系统的性能和精度都直接影响激光切割的效率和品质。 激光切割机系统一般由激光发生器、导光系统、加工机床、控制系统等部分组成。 下面就简单介绍我们公司发展的激光切割设备。14激光发生器 主要是产生激光，经由折射及聚焦后，进行切割，目前是采用光纤激光器，其优点特性为：1.光纤激光使用功率低，可节约电力成本。2.不须更换耗材

11、，使用成本降低可节约耗材成本。3.使用便利无需技术保养，可节省保养成本。4.可直接连线控制，激光参数修改方便，增加切割参数调 整范围。5.激光参数可调整(频率、脉冲宽度)，提高切割效果。6.激光上升时间短，可有效缩短切割加工时间。7.体积轻巧，组装方便，光路校正简单。15 在短期内，光纤激光器具有其他激光器无可比拟的技术优越性，可作为激光技术的阶段性代表。应用上光纤激光器仍然有功率大小及技术维修上等待突破的问题。16激光导光系统 主要是将激光，经由折射及聚焦后，将其导向所需要的地方，并进行所需的加工。 由于光纤激光器无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点。且激光由光纤导出，使得激光能轻

12、易胜任各种多维任意空间加工的应用，使机镣铐统的设计变得更简单。 激光传导过程中，所有的镜片都会由于制造工艺或受外界污染等原因导致镜片寿命缩短。 其中镜片污染会导致镜片对激光吸收率增加，进而产生光束传播时的功率损耗、聚焦光点位置的偏移动及镀膜层的过早损坏。 所以光学透镜保持清洁是最重要的，要有良好的清洁习惯去小心清洗镜片，就能减少或清除有关人为的原因所造成污染。17 考虑加工精密度(控制光斑大小)，上述两种光路安装，除须调整光路通过聚焦镜组，也须考虑光路最后是否垂直加工件材料表面。18激光切割机机构部分花岗岩底座 整个精密运动平台的基础，平台物理特性亦须稳定。 为求精度之可靠性，选用花岗岩冷热变

13、形量低及高重量的特性达到稳固及低变形量，以达良好防震效果、刚性及平坦度。且表面质感佳，保养容易，没有生锈的问题。19XY移动平台 移动平台介绍驱动方式及直线限制两部份。 我们移动平台驱动方式采用直线电机，所谓直线电机，是一种将传统的旋转电机沿轴线方向切开后，将外圈永久磁铁展开作为直线电机的定子，通电后在电磁力的作用下中央三相电机部份会延定子做直线运动，成为直线电机的动子。我们常说的磁悬浮，往往和直线电机驱动有着很大联系。磁浮运输系统通常采用直线电机作为推进系统。20 应用上直线电机使用还分为动子内有铁心和无铁心两种形式；动子由铁心构成的线性驱动产品，属于推力较大的一型。动子无铁心构成的线性驱动

14、产品，质轻且有极佳动态特性(动能反应快)。21直线限制 直线限制部分是采用研磨级的高精度滑轨和滑块，并以能调整精度的安装方式组装藉以达到安装的精度，提高组装后平台移动的稳定性及精度。并且安装基面的台阶加工需注意滑轨及滑块的倒角形式。22XY移动平台相对移动方向，可分为三种移动方式1.切割过程中，只有工作台移动，而光束则固定不动。 2.切割过程中，只有光束移动，工作台不移动。 3.切割过程中，光束与工作台都移动。23控制系统 运动控制采用运动控制器作为协调及处理运动命令。 马达驱动器主要进行讯号编码及驱动线性马达动作。 程序控制方式是采用通过操作软件对设备进行控制，并监控设备状态。切割文件读入后

15、可转为图形显示，执行操作时控制程序会将依照文件中数控命令读入PMAC运动控制器，并由PMAC对运动平台(马达驱动器)及激光器送出讯号进行移动及开关激光的控制。24干涉补正 设备安装后会由安装时的积累误差使其精度有限，为提高设备精准度，需进行激光干涉校正。 激光干涉校正是利用激光干涉仪测定平台移动距离，与实际给定距离比较后，对移动误差给予补偿使移动距离达到所要求的精度。校正要求为：定位精度：3m，重复定位精度：1.5m25激光干涉原理 激光光经由分束镜(半反射镜)，将光束一分为二，一束射向一个固定反射镜，一束射向移动反射镜。这二反射镜所反射的光，回到分束镜内重新会合，合并成一道光束并产生干涉条纹射至光电感测器，因感测器感测出这些条纹的明暗变化，经由信号处理，即能计算出移动反射镜所移动的精确距离。26影响激光切割效果光路：直接影响激光损耗的能量及光般的模态，对切割 精度和效果都有直接的影响。焦点位置：激光切割的优点是光束的能量密度高。由于能 量密度和光斑直径成反比，所以必须确定焦点 位置，以便集中切割能量密度及产生窄的切缝 保持切割精度。27喷嘴：激光切割时,氧气和聚焦的激光光束是通过喷嘴射 到被切材料处