雷射切割機原理

主要用於將板材切割成所需形狀工件的雷射加工工具機。 利用雷射束的熱能實現切割的設備。

雷射切割就是將雷射束照射到工件表面時釋放的能量來使工件融化並蒸發，以達到切割和雕刻的目的，具有精度高，切割快速，不局限於切割圖案限制，自動排版節省材料，切口平滑，加工成本低等特點，將逐漸改進或取代於傳統的切割工藝設備。

基本介紹

• 中文名：雷射切割機原理
• 套用學科：雷射切割
• 適用領域範圍：將板材切割成所需形狀工件的雷射加工工具機
• 適用領域範圍：利用雷射束的熱能實現切割的設備

介紹

技術採用雷射束照射到金屬板材表面時釋放的能量來使金屬板材熔化並由氣體將溶渣吹走。雷射源一般用二氧化碳雷射束，工作功率為300～5000瓦。該功率的水平比許多家用電暖氣所需要的功率還低，但是，通過透鏡和反射鏡，雷射束聚集在很小的區域。能量的高度集中能夠進行迅速局部加熱，使金屬板材溶化。此外，由於能量非常集中，所以，僅有少量熱傳到金屬板材的其它部分，所造成的變形很小或沒有變形。利用雷射可以非常準確地切割複雜形狀的坯料，所切割的坯料不必再作進一步的處理。

雷射切割機專用冷水機

利用雷射切割設備可切割16mm以下的不鏽鋼，在雷射束中加氧氣可切割8～10mm厚的不鏽鋼，但加氧切割後會在切割面形成薄薄的氧化膜。切割的最大厚度可增加到16mm，但切割部件的尺寸誤差較大。
雷射切割設備的價格相當貴，約200萬元人民幣以上。但是，由於降低了後續工藝處理的成本，所以，在大生產中採用這種設備還是可行的。由於沒有刀具加工成本，所以雷射切割設備也適用生產小批量的原先不能加工的各種尺寸的部件。雷射切割設備通常採用計算機化數字控制技術（CNC）裝置，採用該裝置後，就可以利用電話線從計算機輔助設計（CAD）工作站來接受切割數據。

雷射原理

雷射的最國中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞的頭一個字母組成的縮寫詞。意思是“受激輻射的光放大”。什麼叫做“受激輻射”？它基於偉大的科學家愛因斯坦在1916年提出了的一套全新的理論。這一理論是說在組成物質的原子中，有不同數量的粒子（電子）分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發，會從高能級跳到（躍遷）到低能級上，這時將會輻射出與激發它的光相同性質的光，而且在某種狀態下，能出現一個弱光激發出一個強光的現象。這就叫做“受激輻射的光放大”，簡稱雷射。雷射主要有四大特性：雷射高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。
雷射的高亮度：固體雷射器的亮度更可高達1011W/cm2Sr。不僅如此，具有高亮度的雷射束經透鏡聚焦後，能在焦點附近產生數千度乃至上萬度的高溫，這就使其可能可加工幾乎所有的材料。
雷射的高方向性：雷射的高方向性使其能在有效地傳遞較長的距離的同時，還能保證聚焦得到極高的功率密度，這兩點都是雷射加工的重要條件。
雷射的高單色性：由於雷射的單色性極高，從而保證了光束能精確地聚焦到焦點上，得到很高的功率密度。
雷射的高相干性：相干性主要描述光波各個部分的相位關係。正是雷射具有如上所述的奇異特性因此在工業加工中得到了廣泛地套用。
雷射已廣泛套用到雷射焊接、雷射切割、雷射打孔（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）、雷射淬火、雷射熱處理、雷射打標、玻璃內雕、雷射微調、雷射光刻、雷射制膜、雷射薄膜加工、雷射封裝、雷射修復電路、雷射布線技術、雷射清洗等。
經過30多年的發展，雷射無處不在，它已經被用在生活、科研的方方面面：雷射針灸、雷射裁剪、雷射切割、雷射焊接、雷射淬火、雷射唱片、雷射測距儀、雷射陀螺儀、雷射鉛直儀、雷射手術刀、雷射炸彈、雷射雷達、雷射槍、雷射炮……，在不久的將來，雷射肯定會有更廣泛的套用。
雷射武器是一種利用定向發射的雷射束直接毀傷目標或使之失效的定向能武器。根據作戰用途的不同，雷射武器可分為戰術雷射武器和戰略雷射武器兩大類。武器系統主要由雷射器和跟蹤、瞄準、發射裝置等部分組成，通常採用的雷射器有化學雷射器、固體雷射器、CO2雷射器等。雷射武器具有攻擊速度快、轉向靈活、可實現精確打擊、不受電磁干擾等優點，但也存在易受天氣和環境影響等弱點。雷射武器已有30多年的發展歷史，其關鍵技術也已取得突破，美國、俄羅斯、法國、以色列等國都成功進行了各種雷射打靶試驗。感測器，以及攻擊人眼和一些增強型觀測設備；高能雷射武器主要採用化學雷射器，按照現有的水平，今後5—10年內可望在地面和空中平台上部署使用，用於戰術防空、戰區反導和反衛星作戰等

雷射特性

雷射有很多特性：首先，雷射是單色的，或者說是單頻的。有一些雷射器可以同時產生不同頻率的雷射，但是這些雷射是互相隔離的，使用時也是分開的。其次，雷射是相干光。相干光的特徵是其所有的光波都是同步的，整束光就好像一個“波列”。再次，雷射是高度集中的，也就是說它要走很長的一段距離才會出現分散或者收斂的現象。
雷射（LASER）是上世紀60年代發明的一種光源。LASER是英文的“受激放射光放大”的首字母縮寫。雷射器有很多種，尺寸大至幾個足球場，小至一粒稻穀或鹽粒。氣體雷射器有氦－氖雷射器和氬雷射器；固體雷射器有紅寶石雷射器；半導體雷射器有雷射二極體，像CD機、DVD機和CD-ROM里的那些。每一種雷射器都有自己獨特的產生雷射的方法。

雷射技術

雷射具有單色性好、方向性強、亮度高等特點。現已發現的雷射工作物質有幾千種，波長範圍從軟X射線到遠紅外。 雷射技術的核心是雷射器，雷射器的種類很多，可按工作物質、激勵方式、運轉方式、工作波長等不同方法分類。根據不同的使用要求，採取一些專門的技術提高輸出雷射的光束質量和單項技術指標，比較廣泛套用的單元技術有共振腔設計與選模、倍頻、調諧、Q開關、鎖模、穩頻和放大技術等。
為了滿足軍事套用的需要，主要發展了以下5項雷射技術：①雷射測距技術。它是在軍事上最先得到實際套用的雷射技術。20世紀60年代末，雷射測距儀開始裝備部隊,現已研製生產出多種類型,大都採用釔鋁石榴石雷射器，測距精度為±5米左右。由於它能迅速準確地測出目標距離，廣泛用於偵察測量和武器火控系統。②雷射制導技術。雷射制導武器精度高、結構比較簡單、不易受電磁干擾，在精確制導武器中占有重要地位。70年代初，美國研製的雷射制導航空炸彈在越南戰場首次使用。80年代以來，雷射制導飛彈和雷射制導炮彈的生產和裝備數量也日漸增多。③雷射通信技術。雷射通信容量大、保密性好、抗電磁干擾能力強。光纖通信已成為通信系統的發展重點。機載、星載的雷射通信系統和對潛艇的雷射通信系統也在研究發展中。④強雷射技術。用高功率雷射器製成的戰術雷射武器，可使人眼致盲和使光電探測器失效。利用高能雷射束可能摧毀飛機、飛彈、衛星等軍事目標。用於致盲、防空等的戰術雷射武器，已接近實用階段。用於反衛星、反洲際彈道飛彈的戰略雷射武器，尚處於探索階段。⑤雷射模擬訓練技術。用雷射模擬器材進行軍事訓練和作戰演習，不消耗彈藥，訓練安全，效果逼真。現已研製生產了多種雷射模擬訓練系統，在各種武器的射擊訓練和作戰演習中廣泛套用。此外，雷射核聚變研究取得了重要進展，雷射分離同位素進入試生產階段，雷射引信、雷射陀螺已得到實際套用

雷射器

在雷射切割機中，有著多種標誌化的工作原理，雷射管同樣也是。都清楚的知道雷射設備中，雷射管的重要性，下面就以現今最為普遍的一種雷射管來進行判定，CO2雷射管！雷射管的組成是採用一種硬質的玻璃製造的，因此是一種易碎，易裂的物質。要想了解CO2雷射管，就必須先要了解雷射管的結構，像這種二氧化碳雷射器採用的都是層套筒式結構，最為裡面的是一層放電管。然而二氧化碳的雷射器放電管的直徑比雷射管的本身都還要粗，放電管的粗細跟光斑的大小所引起的衍射反應成為一種正比，管長的長短跟放電管的輸出功率也形成了一種比例，同樣的這也能幫客戶分析要一種省電的，還是需求一種精細的，因為在選擇雷射管的同時，可以適當去看下雷射管裡面的放電管的粗細以及長短，這樣能輕而一舉的了解到雷射管的品質。

由於雷射切割機在運作過程中，雷射管會產生很大熱量，影響了切割機正常工作，因此需要特域冷水機來冷卻雷射管，確保雷射切割機在恆溫狀態下正常工作。200W的雷射器選用CW-6200就可以了，製冷量5.5KW；650W的雷射器要選用CW-7800，製冷量23KW

雕刻原理

是由原子(分子或離子箏)躍遷產生的，而且是自發輻射引起勺。 雷射雖然是光，但它與普通光明顯不同是雷射僅在最初極短的時間內依賴於自發輻射，此後的過程完全由激輻射決定，因此雷射具有非常純正的顏色，幾乎無發散的方向性,雕刻機，極高的發光強度。 雷射同時又具有高相干性、高強度性、高方向性，雷射通過雷射器產生後由反射鏡傳遞並通過聚集鏡照射到加工物品上，使加工物品（表面）受到強大的熱能而溫度急劇增加，使該點因高溫而迅速的融化或者汽化，配合雷射頭的運行軌跡從而達到加工的目的。雷射加工技術在廣告行業的套用主要分為：雷射切割、雷射雕刻兩種工作方式，對於每一種工作方式，我們在操作流程中有一些不盡相同的地方。

雷射雕刻：主要是在物體的表面進行，分為點陣圖雕刻和矢量雕刻兩種：

點陣圖雕刻： 我們先在PHOTOSHOP里將我們所需要雕刻的圖形進行掛網處理並轉化為單色BMP格式，而後在專用的雷射雕刻切割軟體中打開該圖形檔案。根據我們所加工的材料我們進行合適的參數設定就可以了，而後點擊運行，雷射雕刻機就會根據圖形檔案產生的點陣效果進行雕刻。

矢量雕刻：使用矢量軟體如Coreldraw，AutoCad，Iluustrator等排版設計，並將圖形導出為PLT，DXF，AI格式,打標機，然後再用專用的雷射切割雕刻軟體打開該圖形檔案，傳送到雷射雕刻機里進行加工。

在廣告行業主要適用於木板、雙色板、有機玻璃、彩色紙等材料的加工。

雷射切割：我們可以理解為是邊緣的分離。對這樣的加工目的，我們應該先在CORELDRAW、AUTOCAD里將圖形做成矢量線條的形式,氣動打標機，然後存為相應的PLT、DXF格式，用雷射切割機操作軟體打開該檔案，根據我們所加工的材料進行能量和速度等參數的設定再運行即可。雷射切割機在接到計算機的指令後會根據軟體產生的飛行路線進行自動切割。如：現有金運雷射切割機，可以根據電腦繪製好的模板，然後直接輸入電腦，自動切割圖形。現有的金運雷射切割機一般都有自己的硬碟，可輸入海量數據源。簡潔方便。

雷射切割的特點

雷射加工作為一種全新的加工方法，以其加工精確、快捷、操作簡單、自動化程度高等優點，在皮革、紡織服裝行業內逐漸得到廣泛的套用。鐳射雷射切割機與傳統的切割方式相比不僅價格低,消耗低.並且因為雷射加工對工件沒有機械壓力,所以切割出來產品的效果,精度以及切割速度都非常良好.並且還具有操作安全,維修簡單等特點.可連續24小時工作。用鐳射雷射機切割出來的無塵布無紡布邊不發黃,自動收邊不散邊,不變形，不會發硬,尺寸一致且精確；可切割任意複雜形狀；效率高、成本低，電腦設計圖形,可切割任意形狀任各種大小的花邊。開發速度快：由於雷射和計算機技術的結合，用戶只要在計算機上設計，即可實現雷射雕刻輸出並且可隨時變換雕刻,可邊設計邊出產品。

打標原理

雷射打標公認的原理是兩種：

“熱加工”具有較高能量密度的雷射束（它是集中的能量流），照射在被加工材料表面上，材料表面吸收雷射能量，在照射區域內產生熱激發過程，從而使材料表面（或塗層）溫度上升，產生變態、熔融、燒蝕、蒸發等現象。

“冷加工”具有很高負荷能量的（紫外）光子，能夠打斷材料（特別是有機材料）或周圍介質內的化學鍵，至使材料發生非熱過程破壞。這種冷加工在雷射標記加工中具有特殊的意義，因為它不是熱燒蝕，而是不產生"熱損傷"副作用的、打斷化學鍵的冷剝離，因而對被加工表面的裡層和附近區域不產生加熱或熱變形等作用。例如，電子工業中使用準分子雷射器在基底材料上沉積化學物質薄膜，在半導體基片上開出狹窄的槽。

發展現狀

1994年湖南大學雷射研究所研製成功國內第一台析架式摺疊準封離型切割與焊接雷射器，並獲得國家發明專利。每台設備的售價只有國外產品的1/2. 2003年3月，中科院長春光機與物理研究所研製的“數控雷射管材加工設備”，改變了我國石油行業依賴進口設備加工管材的局面。這標誌著我國製造先進裝備的能力已達到國際先進水平。 濟南鑄鍛所數控機械公司開發製造出國產第一台LC2-18*30型交換式雙工作檯雙邊驅動數控精密雷射切割機。在設計上突破了兩項關鍵技術，一是解決了軸雙邊驅動時兩個電極的同步問題，二是解決了升降工作檯8個氣缸的同步問題。

日本已擁有CO2雷射加工機2萬台，約占全球雷射加工機總量的1/3，其中80%為雷射切割機設備。日本自1995年以來，年生產雷射加工機已超過500台左右，其中YAG雷射切割機100多台。全球的高功率數控雷射切割成套設備累計擁有量達35000台（套）左右，而我國目高功率數控雷射切割成套設備的擁有量為1500台左右。國產數控雷射切割機的主要特點是：價格較低，約是進口價格的1/3，雷射器功率較低，一般為1.5KW以下。與國外機相比表現為切縫寬，表面質量、機械精度、整機的穩定性、柔性較差，但具有價格方面的優勢。

2007年國內大型雷射切割設備的銷售額達到15億元，在中低端產品方面基本占領國內市場，並有部分產品出口。但與美國、歐盟、日本等已開發國家相比，我國的雷射切割設備仍然停留在低端產品階段，而且高功率雷射器、雷射專用控制系統、雷射光束傳輸控制、雷射切割專有技術等絕大部分核心技術還依賴進口。

國際上德國通快 TRUMPF公司、瑞士百超BYSTRONIC和義大利PRIMA等國際知名公司已經開發出大功率、大幅面、高速、飛行光路、多維立體、數控自動的雷射切割機。在高端雷射切割系統領域，我國與國際先進水平存在較大差距，產品基本依賴進口，每年不得不花費數十億元從國外引進相關技術與設備。如船舶製造業中厚鋼板的雷射切割設備、三維立體雷射切割設備、有色金屬雷射切割設備等，引進價格昂貴、訂貨周期長、售後服務無法及時保證，嚴重製約了我國國民經濟的發展。並且由於國外在該領域出口對我國有明確的限制，採用許可證制度，嚴格規定該項技術不能用於軍工、航空航天等領域，因此我國急需突破該項技術。

發展趨勢

（1） 高速、高精度雷射切割機由於大功率雷射器光束模式的改善及32位微機的套用，為雷射切割設備的高速、高精度創造了有利條件。

（2） 厚板切割和大尺寸工件切割的大型雷射切割機隨著可用於雷射切割雷射器功率的增大，雷射切割正從輕工業薄板的鈑金加工向著重工業厚板切割方向發展。

（3） 三維立體多軸數控雷射切割機，為了滿足汽車、航空等工業的立體工件切割的需要，已發展了各種各樣的五軸或六軸三維雷射切割機，數控軸數達到九軸，加工速度快，精度高。在先進國家的汽車生產線上，雷射切割機器人的套用愈來愈多。三維雷射切割機正向高效率、高精度、多功能和高適應性方向發展，其套用範圍將會愈來愈大。

（4） 雷射切割單元自動化和無人化為了提高生產率和節省勞動力，雷射切割正向著雷射切割單元（FMC）和無人化、自動化方向發展。發展這種單元自動化系統，必須依賴於現金的自動控制、網路控制技術及計算機生產輔助管理系統技術等。國外已有各種各樣的雷射切割單元可供應市場，並有由6台大型雷射切割機為核心組成的無人化的切割生產線在工廠運行。

（5） 緊湊型和組合一體化數控雷射切割機隨著雷射器提及的縮小和功率的增大，以及輔助裝置的不斷完善，出現了把雷射器、電源、主機、控制系統和冷卻水循環裝置等緊密地組合在一起，形成占地面積小、功能完善的整套緊湊型雷射切割機。此外，雷射切割技術正與雷射焊接、雷射表面淬火等雷射加工工藝組合，以發展一機多用，進一步提高設備的利用率。