激光切割机如何工作？完整指南

激光切割机如何工作？完整指南

激光切割机是一种利用高能量密度的激光束对材料进行切割的先进设备。它广泛应用于金属、塑料、木材等多种材料的加工，具有精度高、效率快、热影响区小等优点。本文将为您详细介绍激光切割机的工作原理、关键部件、切割工艺以及不同材料的切割特点。

I. 激光切割原理

什么是激光？

激光（受激辐射光放大）是一种特殊光源，具有以下独特特性：

• 高能量密度：激光束将能量集中在一个非常小的焦点上，产生的热量足以使材料熔化或汽化。
• 单色性：激光只包含一种波长的光，确保高能量浓度和稳定性。
• 方向性：激光束的传播方向高度一致，可实现长距离传输，同时将能量损耗降至最低。

与普通光源相比，激光具有更高的亮度、更强的方向性和更好的相干性，是工业切割和焊接等工业应用的理想工具。

激光切割机如何工作

激光切割是一种使用激光使材料气化，从而形成切割边缘的技术。激光加工始于激光源（或激光发生器），如 CO2、Nd:YAG 或光纤激光器，它能产生高度集中的光束。聚焦的激光束射向工件材料，被工件材料吸收并转化为热能。

激光切割利用光能转化为热能，对材料进行局部加热和切割。其核心工作机制包括以下几个方面：

热效应原理

当高强度激光束照射到材料表面时，其能量会被吸收并迅速转化为热能，使材料发生以下物理变化：

• 融化：材料熔化，高压气体喷射吹走熔融材料，形成干净的切口。
• 蒸发：材料从固态直接转化为气态，常用于薄型材料。
• 燃烧：在某些情况下，材料会被点燃和燃烧，尤其是在氧气喷射的帮助下，这会加速切割过程。

集中的能量和精确的控制相结合，使激光切割能够为各种应用提供卓越的效果。

能量转换过程

激光束中的光子带有能量，当它们与材料表面的颗粒相互作用时，会将动能传递给颗粒，引起强烈振动，进而产生热量。这一过程会使局部温度迅速升高，达到材料的熔点或汽化点。

切割过程中的物理变化

在切削过程中，以下物理现象共同完成加工：

• 局部加热和熔化：聚焦激光束在工件表面形成一个高温小光斑，使该区域迅速熔化或汽化。
• 协助天然气行动：通过喷嘴引入氧气、氮气或惰性气体，将熔化或气化的材料吹出切口，同时冷却工件并防止氧化。
• 角化形成：随着激光头的移动，高温区不断熔化或去除沿路径的材料，从而形成精确的切口。

激光切割机还可以通过气体喷射吹走多余的材料。切割头通常固定在龙门架上，这是一个机械系统。该系统通常由皮带或链条驱动，切割头可在特定的矩形区域（工作台尺寸）内精确移动。龙门可使切割头在工件上来回移动，在床面上的任何位置进行精确切割。激光应集中在被切割材料上，以达到最佳切割状态。所有激光切割机都需要在切割前对程序进行对焦，以确保激光切割效果极佳。除了激光器本身的功能外，激光切割机还配备了辅助气体。这种气体在切割过程中从切割头喷射出来，有助于冷却材料和清洁熔化的金属。因此，激光切割机不仅能提供精确的切割，还能保持切割表面的清洁和光滑。

II. 激光切割机的关键部件

激光切割机由几个关键部件组成，它们共同作用以实现精确高效的切割。下面将详细介绍这些组件及其功能。

激光器

激光源是机器的核心，产生用于切割的激光束。用于激光切割的不同类型的激光器具有独特的工作原理和优缺点：

CO2 激光

• 原则：使用混合气体（CO2、N2、He）作为激光介质。被激发的 CO2 分子会发出波长为 10.6 μm 的红外线。
• 优势：
• 高功率输出（高达 15 千瓦），适用于非金属和薄金属。
• 每瓦成本低，运行寿命长（长达 20,000 小时）。
• 劣势：
• 由于会产生热量，因此需要冷却系统。
• 与光纤激光器相比，效率较低（10%-20%）。

光纤激光器

• 原则：使用掺杂光纤作为发光介质。发光波长为 1.06 μm。
• 优势：
• 效率高（30%-35%），维护要求低。
• 切割速度更快，尤其是在切割薄金属时。
• 劣势：
• 与 CO2 激光器相比，初始成本较高。

Nd:YAG 激光器

• 原则：采用掺杂钕的钇铝石榴石晶体作为发光介质。工作波长为 1.06 μm。
• 优势：
• 适用于精密微加工以及铝和铜等反光材料。
• 劣势：
• 效率低（1%-4%），加工较厚材料时速度较慢。

光束传输和聚焦

激光束必须以最小的能量损耗从光源传输到工件，并精确聚焦在切割区域。

光束传输路径

• CO2 激光器使用反射镜来引导光束，而光纤激光器则依靠柔性光纤，更易于集成。

聚焦光学器件

• 镜片和镜子：将激光束聚焦到能量密度高的小光斑上，实现精确切割。
• 对齐的重要性：不对中会导致切割质量差或损坏部件。

控制系统

控制系统通过管理运动、动力和切割参数确保精确操作，例如Cypcut 切割软件.

ULF 单工作台光纤激光切割机控制系统的 Cypcut 切割软件

数控系统

• 将 CAD/CAM 设计转换成供机器执行的 G 代码。
• 高精度控制切割头的移动。

伺服控制系统

• 在切割操作过程中，使用伺服电机实现精确定位和平稳运动。

切割头和喷嘴

切割头内装有聚焦透镜和喷嘴，它们在引导激光束和辅助气体方面起着至关重要的作用。

• 喷嘴功能：
• 引导辅助气体（氧气、氮气）清除切割路径上的熔融材料。
• 防止碎片污染光学元件。
• 喷嘴类型：
• 用于氮气等惰性气体的单层喷嘴。
• 用于氧气辅助高速切割的双层喷嘴。

控制面板/软件

操作员通过控制软件与机器互动，该软件可管理设计输入、参数设置和实时监控。

• 例如，用于生成刀具路径的 CAM 软件和用于高效执行切割的专有控制软件。

辅助系统

冷却系统

• 保持激光源和光学器件的工作温度稳定，防止热损坏。

排气系统

• 清除切割过程中产生的烟雾、烟尘和碎屑，以确保安全和切割质量。

辅助气体

• 氧气：通过促进燃烧加快切割速度（用于切割碳钢）。
• 氮气：防止氧化，以获得高质量的表面效果（用于不锈钢）。
• 空气：适用于基本应用的高性价比选择。

III. 激光切割工艺

步骤 1 设计准备和编程

使用 CAD/CAM 软件

• CAD（计算机辅助设计）：使用 SolidWorks、AutoCAD 或 Fusion 360 等软件创建详细的二维或三维模型。通过这些工具，设计人员可以分配材料属性并确保尺寸的准确性。
• CAM（计算机辅助制造）：将 CAD 文件导入 CAM 软件，以定义切割参数，如速度、激光功率和路径。然后，CAM 软件会根据材料和切割要求生成优化的刀具路径。

转换为 G 代码

• CAM 软件将刀具路径转换为 G 代码，这是数控机床能够理解的编程语言。G 代码控制切割头和激光束沿 X、Y 和 Z 轴移动。通过 Wi-fi 连接或 USB 驱动程序将 G 代码发送到激光切割机的控制器。设计步骤完成后，下一步就是为加工过程设置最佳参数。

步骤 2 设置机器

将需要切割的材料放入激光切割机，并根据材料的类型和厚度调整位置。该设置包括激光器的功率、激光器的移动速度和激光束的焦点。

最佳参数取决于激光切割机的型号和切割材料的类型。

步骤 3 切割和雕刻过程

设置好所有内容并开始操作后，就可以开始切割和雕刻了。这一切都始于激光资源，它能产生稳定而一致的光线。激光资源来自激光谐振器，谐振器通过反射镜系统向切割头发送实心光束。在切割头内，激光由透镜聚焦，并减弱为细小的聚光光束。

这束光可以沿着数字指定的路径照射到材料上，对原材料进行切割或光栅化处理。顺便说一句，如果你用太阳光和放大镜来点火，就会对工作原理更加熟悉。

当光线沿路径移动时，会熔化、燃烧或蒸发材料，从而实现精确切割和雕刻。

激光切割机还可以通过气体喷射吹走多余的材料。切割头通常固定在龙门架上，这是一个机械系统。该系统通常由皮带或链条驱动，切割头可在特定的矩形区域（工作台尺寸）内精确移动。龙门可使切割头在工件上来回移动，在床面上的任何位置进行精确切割。激光应集中在被切割材料上，以达到最佳切割状态。所有激光切割机都需要在切割前对程序进行对焦，以确保激光切割效果极佳。除了激光器本身的功能外，激光切割机还配备了辅助气体。这种气体在切割过程中从切割头喷射出来，有助于冷却材料和清洁熔化的金属。因此，激光切割机不仅能提供精确的切割，还能保持切割表面的清洁和光滑。

步骤 4 切割后处理和检查

质量控制检查

• 使用卡尺或去毛刺机等工具检查切割边缘的粗糙度、垂直度、毛刺和尺寸精度。

后期处理步骤

• 去毛刺：使用研磨或打磨工具去除尖锐边缘或瑕疵。
• 表面处理：抛光、阳极氧化或喷漆，以改善外观或防止腐蚀。

最终检查

• 在包装或组装前，根据设计规格测量每个部件，以确保一致性和质量。

IV. 不同材料的激光切割特点

激光切割适用于各种材料，包括金属和非金属，具有多功能性和高精度。下面将深入探讨各类材料的特点、激光设置和注意事项。

1. 金属材料

适用的激光类型和功率

• CO2 激光：适用于薄金属板，但需要辅助气体才能有效切割。
• 光纤激光器：波长较短（1.06 μm），效率高，是金属，尤其是铝和铜等高反射金属的理想选择。
• Nd:YAG 激光器：用于金属的精密微加工，但在工业规模的切割中较少使用。

建议的功率设置因材料厚度而异：

关键切割参数

• 电源：对于较厚的材料，需要更高的功率以确保穿透性。
• 速度：对于较厚的金属，需要较慢的速度以保持边缘质量。
• 辅助气体：
• 氧气通过氧化作用加速切割（用于碳钢）。
• 氮气可防止氧化，确保边缘清洁（用于不锈钢）。

常见金属比较

2. 非金属材料

特点

非金属材料具有独特的性能，适合各种应用：

• 木材：切割干净，燃烧最小；是家具和手工艺品的理想选择。
• 亚克力：边缘光滑，精度高；广泛用于标牌和装饰品。
• 织物/纺织品：无褶皱切割；适用于工业和艺术设计。
• 纸张/纸板：优化设置后，切割精确，无火灾风险。

参数设置

材料厚度与切割质量

• 更薄的材料可降低热影响，从而实现更快的速度和更干净的切割。
• 较厚的材料需要较慢的速度和较大的功率，以确保完全穿透而不会变形或烧焦。

V. 激光切割技术

与等离子切割相比，激光切割金属的优势在于更加精确。当强大的激光与材料接触时，会产生热量，使表面熔化或气化。根据辅助气体的类型，激光切割技术主要有四种类型：

融合切割

在导流切割中，辅助气体并不协助熔化材料，而是在激光熔化材料后才起作用。惰性气体（氮气）通常被视为切割辅助气体。加压辅助气体将熔融金属吹出切口，从而提高切割速度并降低切割材料所需的激光功率。熔融切割用于切割金属。这种技术也被称为熔融和吹气切割。

火焰切割

在火焰切割中，辅助气体（氧气）参与材料的燃烧和熔化。激光束加热材料，氧气与加热的材料发生反应，产生火焰。这增加了对材料的输入功率，有利于激光束切割材料。同时，我利用高压氧气流吹散熔化的金属，从而实现切割。火焰切割通常用于厚碳钢材料。由于氧气与加热的材料会发生反应，因此这种技术也被称为反应切割。

升华切割

在没有辅助气体的情况下切割薄材料（如铝箔和织物）时，会出现升华切割。在这种方法中，激光束直接将材料蒸发而不是熔化。高能量可以蒸发焦点上的材料，从而形成狭窄的切口。这种切割也被称为气化切割。

冲击切割

冲击切割用于连续激光束难以切割的材料。它采用快速脉冲激光束在材料表面形成重叠孔。冲击切割通常用于切割陶瓷和玻璃等脆性材料。不同种类的激光器应根据实际应用和材料而定。例如，CO2激光器通常用于切割各种材料，而光纤激光器一般用于切割金属。激光切割机利用高能激光束和辅助气体的协同效应，实现对金属材料的精确、高效切割。

在操作激光切割机时，接受培训并掌握相关知识至关重要。例如，佩戴防护镜，避免眼睛直接接触激光束，并确保良好的通风。这样才能实现安全和最佳效果。此外，机器需要定期维护，以保持高效工作。

VI. 结语

激光切割机采用大功率激光束，在许多领域进行精确、高效的切割。火焰和熔融等各种切割技术越来越成为现代制造和激光技术不可或缺的一部分。激光切割技术在制造业中的应用日益广泛，了解其工作原理和操作方法具有实际意义。