发展历程

简介

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与传统的氧乙炔、等离子等切割工艺相比，激光切割速度快、切缝窄、热影响区小、切缝边缘垂直度好、切边光滑，同时可激光切割的材料种类多，包括碳钢、不锈钢、合金钢、木材、塑料、橡胶、布、石英、陶瓷、玻璃、复合材料等。随着市场经济的飞速发展和科学技术的日新月异，激光切割技术已广泛应用于汽车、机械、电力、五金以及电器等领域。近年来，激光切割技术正以前所未有的速度发展，每年都以15%~20%的速度增长。我国自1985年以来，更是以每年近25%的速度增长。当前，我国激光切割技术的整体水平与先进国家相比还存在着不小的差距，因此，在国内市场激光切割技术具有广阔的发展前景和巨大的应用空间7。

激光切割机在切割过程中，光束经切割头的透镜聚焦成一个很小的焦点，使焦点处达到高的功率密度，其中切割头固定在z轴上。这时，光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分热量，材料很快被加热到熔化与汽化温度，与此同时，一股高速气流从同轴或非同轴侧将熔化及汽化了的材料吹出，形成材料切割的孔洞。随着焦点与材料的相对运动，使孔洞形成连续的宽度很窄的切缝，完成材料的切割7。

当前，激光切割机的外光路部分主要采用的是飞行光路系统。从激光发生器发出的光束经过反射镜1、2、3到达切割头上的聚焦透镜，聚焦后在待加工材料表面形成光斑。其中反射镜片1固定在机身上不动；横梁上反射镜2随着横梁的运动作x向运动；z轴上的反射镜片3随z轴的运动作y向的运动。从图中不难看出，在切割过程中，随着横梁作x向运动，z轴部分作y向运动，光路的长度时刻发生着变化7。

民用激光发生器由于制造成本等原因，所发出的激光光束都具有一定的发散角，呈“锥形”。当“锥形”的高度改变时（相当于激光切割机光路长度改变），聚焦透镜表面的光束横截面面积也随之改变。此外，光还具有波的性质，因此，不可避免地会出现衍射现象，衍射会使光束在传播过程中发生横向扩展，该现象存在于所有的光学系统中，能够决定这些系统在性能方面的理论极限值。由于高斯光束呈“锥形”和光波的衍射作用，当光路长度变化时，作用在透镜表面的光束直径时刻发生着变化，这就会引起焦点大小和焦点深度的变化，但对焦点位置的影响很小。如果焦点大小和焦点深度在连续加工中发生变化，必然会对加工产生很大影响，比如，会造成切割缝宽度不一致、在相同切割功率下会割不透或烧蚀板材等7。

结构参数

组成部分

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激光切割机系统一般由激光发生器、（外）光束传输组件、工作台（机床）、微机数控柜、冷却器和计算机（硬件和软件）等部分组成。

1)机床主机部分：激光切割机机床部分，实现X、Y、Z轴的运动的机械部分，包括切割工作平台。用于安放被切割工件，并能按照控制程序正确而精准的进行移动，通常由伺服电机驱动。

2)激光发生器：产生激光光源的装置。对于激光切割的用途而言，除了少数场合采用YAG固体激光器外，绝大部分采用电-光转换效率较高并能输出较高功率的CO2气体激光器。由于激光切割对光束质量要求很高，所以不是所有的激光器都能用作切割的。高斯模式适用于小于1500W、低阶模二氧化碳激光器100W-3000W、多模3000W以上。

3)外光路：折射反射镜，用于将激光导向所需要的方向。为使光束通路不发生故障，所有反射镜都要保护罩加以保护，并通入洁净的正压保护气体以保护镜片不受污染。一套性能良好的透镜会将一无发散角的光束聚焦成无限小的光斑。一般用5.0英寸焦距的透镜。7.5英寸透镜仅用于>12mm厚材。

4)数控系统：控制机床实现X、Y、Z轴的运动，同时也控制激光器的输出功率。

5)稳压电源：连接在激光器，数控机床与电力供应系统之间。主要起防止外电网干扰的作用。

6)切割头：主要包括腔体、聚焦透镜座、聚焦镜、电容式传感器和辅助气体喷嘴等零件。切割头驱动装置用于按照程序驱动切割头沿Z轴方向运动，由伺服电机和丝杆或齿轮等传动件组成。

7)操作台：用于控制整个切割装置的工作过程。

8)冷水机组：用于冷却激光发生器。激光器是利用电能转换成光能的装置，如CO2气体激光器的转换率一般为20%，剩余的能量就变换成热量。冷却水把多余的热量带走以保持激光发生器的正常工作。冷水机组还对机床外光路反射镜和聚焦镜进行冷却，以保证稳定的光束传输质量，并有效防止镜片温度过高而导致变形或炸裂。