激光切割理論及切割機工作原理簡

1、激光切割理論及切割機工作原理2激光原理及切割應用介紹激光原理 激光即Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation，意思為是一種因刺激產生輻射而強化放大的光?？s寫為LASER，激光的英文全名已完全表達了制造激光的主要過程。 在日常生活中上激光的運用日益普遍，例如常用的激光指示器與用來讀取光盤資料的光驅(如藍光)等等。在工業(yè)上，激光常用于微細加工與精密量測兩大類。在軍事上，應用在攔截導彈及癱瘓衛(wèi)星的遠程武器。甚至廣泛應用醫(yī)學上。現(xiàn)在激光已成為各行各業(yè)中的重要裝置，用途那么廣泛，究竟它是如何產生的呢？以下我們將會闡釋激光的基本

2、原理。3要了解激光的基本原理，必須先了解原子的構造。原子由原子核與在周圍繞轉的電子構成，電子在一定的軌道繞轉，各軌道各有一定的能量，離原子愈遠的軌道能階愈高。下圖為碳原子構成示意圖。4量子理論提出物質與輻射的作用有三個基本的躍遷過程:1.自發(fā)吸收(a):電子吸收光子從低能階躍遷到高能階。2.自發(fā)輻射(b):電子自發(fā)地釋放光子從高能階躍遷到較低 能階。3.受激輻射(c):光子射入誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能階 ，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有 相同的特微，即它們的頻率、相偏極方向 和傳播方向均為一致， 即為激光。5激光的發(fā)射原理 在平衡狀態(tài)下，原子的受激態(tài)大約只能維持極短時間，而且大部分的原子

3、都在穩(wěn)定的基態(tài)，只有少數(shù)的原子在受激態(tài)，所以不容易造成連鎖反應。如果在外來能量激發(fā)下，使物質中大部分的原子都處于高能階數(shù)，此時在高低能階的數(shù)目分布稱粒數(shù)分布倒反(population inversion)(或譯群數(shù)反轉)，它是產生激光必備之條件。此時少量的光子就能夠藉受激輻射的連鎖反應來產生激光了。6產生激光具備下列三要素:1.激光介質：即受激發(fā)后能生粒數(shù)分布倒反的現(xiàn)象。不同的介質，其輸出光的波長亦不同，所以常以介質來命名，例如用紅寶石做為介質，就產生紅寶石激光。介質可以是固體(紅寶石激光)，液體(染料激光)，或氣體(二氧化碳激光、準分子激光)。激光介質不同，發(fā)出來的光顏色也不同，也有不同的特

4、性及應用。 2.激發(fā)裝置：激發(fā)裝置是指將某種造型之能量加入介質，使其激發(fā)至高能階的數(shù)目大增，并產生粒數(shù)分布倒反的裝置。通常激發(fā)有放電激發(fā)法、光激發(fā)法、電流激發(fā)法、化學激發(fā)和其他激發(fā)法。3.共振腔：在介質兩端加同光軸的反射鏡，稱為共振腔，前面是半反射鏡片，而后面是全反射鏡片。作用是讓激光在共振腔內來回反射，使被激發(fā)的光經過介質多次激發(fā)得到足夠的放大，當放大到可以穿透半反射鏡時，激光便從半反射鏡發(fā)射出去。7激光是通過受激輻射產生，其特性有四個特點： 高亮度性：激光是具有相當平行的光，具有低發(fā)散性，所以在光軸上單位面積上會高度的集中能量，就會造成很亮的效果，所以激光是具有高亮度的光源特性。 高方向性

5、：激光是相當平行具有低發(fā)散性有高度指向性，能把能量高度地集中起來，因此就有很大的威力。任何光源射出光束在傳播時均會有擴散的現(xiàn)象，向四面八方發(fā)散后，會迅速變弱。激光利用高方向性，可以應用在通訊、測量。 單色性：激光是由單一波長、頻率，具有相同特微的光子組成，以致從外觀看起來，激光光束的顏色都非常地質純具有單色性。高相干性：激光組成光子都有相同的波長、頻率，所以將其疊加起來便產生高度的相干性。普通光源由許多不同頻率者所組成所以相干性極差。激光的高相干性能形成干涉現(xiàn)象，進而發(fā)展運用了干涉現(xiàn)象的高精度量測。8激光應用 激光是20世紀的新光源，其具有各項特點得到廣泛應用，現(xiàn)在已開發(fā)多種應用激光的技術，如

6、激光能源和激光冷卻。激光加工更是激光應用中最有發(fā)展前景的領域之一。 激光的空間和時間控制性很好，對加工物件的材質、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用自動化加工。激光加工系統(tǒng)與電腦數(shù)控技術相結合更可構成高效自動化加工設備，更有效發(fā)展出優(yōu)質、高效率和低成本的加工生產環(huán)境。 激光加工應用可約略區(qū)分熱加工和冷加工，熱加工有切割、打孔、刻槽、標記、焊接、表面處理均極有利。在冷加工則對光化學沉積，激光快速成形技術，激光刻蝕，摻染和氧化都很合適。其激光加工均可應用在金屬和非金屬材料上。以下主要說明激光切割的應用領域。9激光切割原理 激光切割是一種高能量密度可控性好的無接觸加工。激光切割是利用激光器

7、所發(fā)出的激光束，經聚焦透鏡聚焦，將激光能量聚集在極小的焦點光斑處，使焦點處激光功率密度可高達106109W/cm2。材料處于焦點受到高功率密度的激光光斑照射后，會產生10000C 以上的局部高溫，使材料瞬間熔化甚至汽化，進而利用激光束或材料相對移動使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫而將材料切割開。 激光切割技術廣泛被應用于金屬和非金屬材料的加工，可減少加工時間，降低加工成本，提高工件品質。但激光在切割應用上還是有局限和缺點，比如用激光來切割食物和膠合板就不算成功，食物被切開的同時也會被灼燒了，而切割膠合板在經濟上還遠不合劃算。10激光切割工藝主要特性激光束聚焦后形成具有極強能量并保持在極小的區(qū)域內，

8、把它應用于切割有許多特點。(1)狹窄的割縫。(2)最小的鄰近切邊的熱影響區(qū)。(3)極小的局部變形。激光切割是無接觸切割工具，對工件不施加任何力。(1)工件無機械變形。(2)無刀具磨損，也談不上刀具的轉換問題。(3)切割材料無須考慮硬度，即激光切割能力不受被切材 料的硬度影響，任何硬度的材料都可以切割。激光束可控性強，并有高的適應性和柔性。(1)與自動化設備相結合很方便，容易實現(xiàn)制程自動化。(2)不存在割工件的限制，激光束具有仿形切割能力。(3)與計算器結合，可整張板排料，節(jié)省材料。11激光切割實際運用 實際運用激光切割加工時會依照材料或工藝加入與材料相適應的輔助性氣體，以達到需求的工藝效果。

9、激光加工鋼材等金屬材料切割時會用氧作為輔助氣體，增加助燃反應，加速材料熔化，同時幫助吹走割縫的熔渣。加工聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣，使材料不會過度燒熔。加工棉、紙等易燃材料切割時使用惰性氣體，防止材料氧化。 輔助氣體在切割過程中還能吹走熔渣或保護切縫不被氧化，藉以提高加工效率及品質。進入噴嘴時還能冷卻相關透鏡防止鏡片過熱及防止煙塵進入污染鏡片。 大多數(shù)金屬材料，不管它具有什么樣的硬度，都可進行激光切割加工。當然，對高反射率材料，如金、銀、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導體，因此激光切割很困難，甚至不能切割。12激光切割機工作原理介紹懸臂式切割機 龍門切割機 13激光切割機工作原理 激光切割機是運

10、用調整聚焦鏡將激光光束聚焦在材料表面，使材料熔化穿透，并使激光光束與材料沿一定軌跡作相對運動，從而形成一定形狀的切縫；相對的運動控制再結合數(shù)控技術不斷的完善發(fā)展，目前已成為工業(yè)上板材切割的一種先進的加工方法。 激光切割設備是光、機、電一體化的綜合技術結合。激光光束的參數(shù)、機器與數(shù)控系統(tǒng)的性能和精度都直接影響激光切割的效率和品質。 激光切割機系統(tǒng)一般由激光發(fā)生器、導光系統(tǒng)、加工機床、控制系統(tǒng)等部分組成。 下面就簡單介紹我們公司發(fā)展的激光切割設備。14激光發(fā)生器 主要是產生激光，經由折射及聚焦后，進行切割，目前是采用光纖激光器，其優(yōu)點特性為：1.光纖激光使用功率低，可節(jié)約電力成本。2.不須更換耗材

11、，使用成本降低可節(jié)約耗材成本。3.使用便利無需技術保養(yǎng)，可節(jié)省保養(yǎng)成本。4.可直接連線控制，激光參數(shù)修改方便，增加切割參數(shù)調 整范圍。5.激光參數(shù)可調整(頻率、脈沖寬度)，提高切割效果。6.激光上升時間短，可有效縮短切割加工時間。7.體積輕巧，組裝方便，光路校正簡單。15 在短期內，光纖激光器具有其他激光器無可比擬的技術優(yōu)越性，可作為激光技術的階段性代表。應用上光纖激光器仍然有功率大小及技術維修上等待突破的問題。16激光導光系統(tǒng) 主要是將激光，經由折射及聚焦后，將其導向所需要的地方，并進行所需的加工。 由于光纖激光器無光學鏡片，具有免調節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性的優(yōu)點。且激光由光纖導出，使得激光能輕

12、易勝任各種多維任意空間加工的應用，使機鐐銬統(tǒng)的設計變得更簡單。 激光傳導過程中，所有的鏡片都會由于制造工藝或受外界污染等原因導致鏡片壽命縮短。 其中鏡片污染會導致鏡片對激光吸收率增加，進而產生光束傳播時的功率損耗、聚焦光點位置的偏移動及鍍膜層的過早損壞。 所以光學透鏡保持清潔是最重要的，要有良好的清潔習慣去小心清洗鏡片，就能減少或清除有關人為的原因所造成污染。17 考慮加工精密度(控制光斑大小)，上述兩種光路安裝，除須調整光路通過聚焦鏡組，也須考慮光路最后是否垂直加工件材料表面。18激光切割機機構部分花崗巖底座 整個精密運動平臺的基礎，平臺物理特性亦須穩(wěn)定。 為求精度之可靠性，選用花崗巖冷熱變

13、形量低及高重量的特性達到穩(wěn)固及低變形量，以達良好防震效果、剛性及平坦度。且表面質感佳，保養(yǎng)容易，沒有生銹的問題。19XY移動平臺 移動平臺介紹驅動方式及直線限制兩部份。 我們移動平臺驅動方式采用直線電機，所謂直線電機，是一種將傳統(tǒng)的旋轉電機沿軸線方向切開后，將外圈永久磁鐵展開作為直線電機的定子，通電后在電磁力的作用下中央三相電機部份會延定子做直線運動，成為直線電機的動子。我們常說的磁懸浮，往往和直線電機驅動有著很大聯(lián)系。磁浮運輸系統(tǒng)通常采用直線電機作為推進系統(tǒng)。20 應用上直線電機使用還分為動子內有鐵心和無鐵心兩種形式；動子由鐵心構成的線性驅動產品，屬于推力較大的一型。動子無鐵心構成的線性驅動

14、產品，質輕且有極佳動態(tài)特性(動能反應快)。21直線限制 直線限制部分是采用研磨級的高精度滑軌和滑塊，并以能調整精度的安裝方式組裝藉以達到安裝的精度，提高組裝后平臺移動的穩(wěn)定性及精度。并且安裝基面的臺階加工需注意滑軌及滑塊的倒角形式。22XY移動平臺相對移動方向，可分為三種移動方式1.切割過程中，只有工作臺移動，而光束則固定不動。 2.切割過程中，只有光束移動，工作臺不移動。 3.切割過程中，光束與工作臺都移動。23控制系統(tǒng) 運動控制采用運動控制器作為協(xié)調及處理運動命令。 馬達驅動器主要進行訊號編碼及驅動線性馬達動作。 程序控制方式是采用通過操作軟件對設備進行控制，并監(jiān)控設備狀態(tài)。切割文件讀入后

15、可轉為圖形顯示，執(zhí)行操作時控制程序會將依照文件中數(shù)控命令讀入PMAC運動控制器，并由PMAC對運動平臺(馬達驅動器)及激光器送出訊號進行移動及開關激光的控制。24干涉補正 設備安裝后會由安裝時的積累誤差使其精度有限，為提高設備精準度，需進行激光干涉校正。 激光干涉校正是利用激光干涉儀測定平臺移動距離，與實際給定距離比較后，對移動誤差給予補償使移動距離達到所要求的精度。校正要求為：定位精度：3m，重復定位精度：1.5m25激光干涉原理 激光光經由分束鏡(半反射鏡)，將光束一分為二，一束射向一個固定反射鏡，一束射向移動反射鏡。這二反射鏡所反射的光，回到分束鏡內重新會合，合并成一道光束并產生干涉條紋射至光電感測器，因感測器感測出這些條紋的明暗變化，經由信號處理，即能計算出移動反射鏡所移動的精確距離。26影響激光切割效果光路：直接影響激光損耗的能量及光般的模態(tài)，對切割 精度和效果都有直接的影響。焦點位置：激光切割的優(yōu)點是光束的能量密度高。由于能 量密度和光斑直徑成反比，所以必須確定焦點 位置，以便集中切割能量密度及產生窄的切縫 保持切割精度。27噴嘴：激光切割時,氧氣和聚焦的激光光束是通過噴嘴射 到被切材料處