什么是激光切割？ – 工作、类型和应用

激光切割是一种非传统的加工方法，它使用称为激光的高度聚焦的相干光流来切割材料。这是一种减材工艺，在切割过程中材料不断被去除。这是通过汽化、熔化、化学烧蚀或受控裂纹扩展来实现的。

激光光学系统由 CNC（计算机数字控制）进行数字控制，使该工艺适用于钻孔小至 5 微米。此外，该工艺不会在材料中产生残余应力，可以切割脆弱易碎的材料。

激光切割是如何工作的？

激光切割机的工作原理与 CNC 机器相似，但它使用高功率激光。激光将引导材料或光束通过 CNC 和光学设备。机器将使用 CNC 或提供的 G 代码来切割材料并控制运动。

激光束聚焦后，材料会熔化、蒸发和燃烧。此外，当您用气体喷射器吹动材料时，您可以获得高质量的成品边缘表面。激光束的产生发生在一个封闭的容器中，灯或放电激发发光材料。

发光材料的放大发生在通过部分反射镜的内部反射之后。这种现象一直持续到连贯的单色光流中积累了足够的能量以使其逸出。使用光纤或镜子将光聚焦到工作区域后，光的强度会增加。

激光束直径在其最薄处小于 0.32 毫米。相反，切口的宽度可能小至 0.10 毫米。但是，这取决于材料的厚度。如果用激光切割机切割材料而不从材料的边缘开始，则使用穿孔工艺。

激光切割的类型

对于切割，存在三种主要类型的激光器。它们是 CO2、Nd-YAG（钕钇铝石榴石）和光纤激光器。它们在用于产生激光束的基材上有所不同。

二氧化碳激光器

这种激光器的气体放电介质中充满了 10-20% 的二氧化碳、10-20% 的氮气、微量的氢气和氙气以及氦气。激光泵浦不是通过光而是通过放电电流来完成的。

当放电通过照明介质时，氮分子被激发到更高的能级。与之前描述的不同，这些激发的氮分子不会因光子发射而损失能量。

相反，它将其振动模式的能量传递给二氧化碳分子。这个过程一直持续到大多数 CO2 分子处于可转移状态。然后二氧化碳分子发出 10.6 µm 或 9.6 µm 的红外光，使它们达到较低的能级。

共振镜设计用于反射这些波长的发射光子。镜子是一种部分反射器，允许释放用于切割材料的红外光束。

释放红外光后，二氧化碳分子通过将其剩余能量转移到掺杂的氦原子而返回基态。冷氦原子然后变得非常热，并被激光器的冷却系统冷却。 CO2激光器的效率约为30%，高于其他激光器。

晶体（红宝石、Nd 和 Nd-YAG）激光器

与CO2激光器不同，这种激光器是一种固态激光器，使用合成晶体作为发光介质。最常见的是掺有 1% 离子化钕 (Nd3+) 的 YAG (Y3Al5O12) 晶体。

该晶体中的 Nd 离子取代了晶体结构中的 Y 离子。杆长约 10 厘米，直径约 6 至 9 厘米。 YAG 棒的末端经过抛光并涂有高反射材料，用作谐振器系统。

氪闪光或激光二极管实现激光泵浦。这种激光泵浦将钕离子激发到更高的能级。一段时间后，被激发的钕离子进入更低、更稳定的状态而不发射光子。这个过程一直持续到介质充满激发态的 Nd 离子。 Nd离子从其降解状态发射出波长为1064 nm的红外光。

光纤激光器

光纤激光器是一种较新形式的激光器，它使用光纤而不是气体（CO2 激光器）或晶体（Nd-YAG 激光器）发射光。因为它使用光纤，所以光纤激光器是固态激光器，其工作原理类似于晶体激光器。

光纤中掺杂有铒和镱等元素。铒产生 1528 至 1620 nm 范围内的光。另一方面，镱在 1030 nm、1064 nm 和 1080 nm 处产生光。

众所周知，当光通过光纤时，它会以最小的能量损失留在内部。这使得光纤比其他需要精确对准的类型更稳定。

激光切割机的优势

高精度和准确度

激光使用聚焦光束以极高的精度切割物体。激光功能强大且体积小巧，但它以无与伦比的精度熔化和蒸发材料。大多数时候，激光公差范围在 0.003 毫米到 0.006 毫米之间。

等离子切割机的公差水平约为0.02毫米，高于激光切割。同样，其他切削工具的公差水平在 1 到 3 毫米之间，甚至更高。假设在制造过程中需要一台高精度和高精度的机器。

在这种情况下，首选工具通常是激光切割机。因此，航空航天业使用激光切割，这需要严格的公差等级。

成本更低，更实惠

激光切割相对于其他同口径的数控机床具有经济优势，这是激光技术的优势之一。得益于激光切割技术，不再需要定制工具。您也不需要为任何项目修改设备，因为不需要额外的切割工具。

此外，没有物理接触，因此表面没有磨损。由于激光切割机的机械部件很少，因此它们的维护成本低于其他加工技术。与传统制造工具相比，机器的运行成本也会更低。

适用于极其复杂的工作

许多对于其他切割技术来说可能过于复杂的任务，对于激光切割机来说将变得简单；激光技术可以在材料的最薄边缘上工作。尽管切割区域可能会轻微变形或扭曲，但您可以使用激光切割机快速制作复杂的几何形状。激光切割公差范围广，可以适应各种材料。

纸张利用率高，浪费少

使用激光切割机切割材料时，只会浪费很少量的材料。这使得激光切割从其他具有大量材料的机器中脱颖而出。使用激光切割机，制造商可以最大限度地利用材料。随着资源得到更有效地利用，材料浪费减少，生产成本降低。

防止损坏

激光切割的另一个好处是避免损坏，即使是最窄的材料。许多人倾向于相信有关机器的错误信息，认为材料的变形或损坏是不可避免的。

这种普遍的信念前提是激光切割过程中使用了高温。您应该注意，热量只影响很小的材料区域，不会影响公差。板材的激光切割速度非常快，因此切割所需的时间更少。因此，制造商可以轻松避免翘曲和变形。

低功耗

如果你有足够的力量在现实生活中实现削减，那将会有所帮助。但是，激光切割机没有任何其他运动部件，从而降低了能耗。相比之下，带有可移动部件的机器往往会消耗更多的能量。此外，激光切割机切割材料的速度非常快。这有助于节省时间和电力。消耗的能源越少，运营成本也就越低。

与多种材料的兼容性

有趣的是，这台机器可以处理各种材料。除了切割材料外，激光切割还有助于其他工艺，例如打标、钻孔和雕刻。值得注意的是，您无需切换或更改工具即可完成所有这些不同的工作。

激光切割不仅限于切割金属。其他激光切割材料包括木材、铝、塑料、铜和黄铜。激光切割是一种多功能工艺，因为它可以轻松切割几乎所有不同种类的材料。

激光切割机的缺点

虽然激光切割有很多好处，但它也有一些你应该注意的缺点。我们将在下面讨论其中的一些。

激光切割塑料会产生有毒烟雾，需要通风，这可能是一项昂贵的任务。

有效的激光切割还取决于零件的厚度、被切割的材料以及所使用的激光类型。如果没有适当的照顾，切割材料可能会被烧毁，除非使用正确的激光强度，否则某些金属会变色。虽然等离子切割仍然可以切割比激光切割更厚的板材，但激光技术的进步意味着这种差距正在缩小，尽管机器成本仍然很高。

最后，虽然是自动化的过程，但调试和维护需要人工参与，如果操作人员接触到激光，存在严重烧伤的风险。

激光切割的应用

如前所述，激光切割是一个不断发展的令人兴奋的领域。

以下是当今一些最流行的激光切割用途。

汽车行业

由于激光切割能够以相对速度和准确度复制零件，因此在汽车行业中占有一席之地。精确复制各种形式和尺寸的零件在汽车领域至关重要。激光切割用于切割金属和塑料以形成车身零件、电子元件、内饰盖和汽车按钮。

此外，激光切割机可以在汽车内饰上雕刻按钮，让光线透过并记录制造零件的序列号和零件号。用于切割不同零件的模具也可以用激光切割。

激光切割适用于切割液压成型零件。这些通常是坚固的管子，为车辆的结构提供支撑。通常，这些零件用于制造发动机框架或仪表板。

模具和工具行业

如前所述，激光切割可用于制造复制零件的模具。利用激光在金属中切割不同深度的能力，可以为冲压零件制造出极其精确的模具，这些模具可以通过重复的模切工艺始终如一地使用。

使用激光切割复制模具也是一种快速准确的过程。

注塑模具的制造精度与使用激光切割的模具相同。

这简化了模具制造过程，并使精确的模具复制成为一个更快、更昂贵的过程。

在工具制造中，激光切割机可用于汽车行业的打标和雕刻以及制作简单的手动工具。激光切割机的速度甚至可能使它们比在坚固金属上模切更好。由于其材料用途的多功能性，您甚至可以在大多数工具的橡胶手柄上激光雕刻公司徽标和工具信息。

珠宝业

激光切割的精度使其在珠宝制作过程中易于使用。例如，想象一个带有许多小齿轮的手表。激光切割精确，以减少浪费和生产时间来制造齿轮。此外，激光的雕刻能力允许在制造过程中对零件进行标记。

因为激光可以切割出精确的形状和厚度，激光切割也可以用来制作珠宝。使用激光可以轻松制作出具有精确宽度、深度和直径的戒指或手链。激光还可以在内部或外部表面雕刻设计和铭文。

医疗器械制造

激光切割在医疗行业中最显着的优势是激光手术和医疗产品的制造。

激光手术使外科医生能够进行精确的切割，并且患者可以更快地愈合。激光切割零件用于制造改善患者生活质量的医疗设备。例如，支架、瓣膜框架、血管夹、骨铰链、软轴和铰刀等都是由激光切割零件制成的。

陶瓷制造

陶瓷具有多种品质，使工程师能够在各种应用中使用它们。它们的低导电性和导热性使它们成为出色的绝缘体。它们不与其他化学物质发生反应，熔点高，非常耐用。

激光通常用于切割陶瓷，因为它们可以在不牺牲边缘质量的情况下缩短加工时间。飞机喷气发动机、电动机、扬声器、耳机、发电厂发电机、电饭煲，甚至白炽灯都有陶瓷部件。

硅制造

另一种可以从激光切割中受益的材料是硅，它有很多应用。精密切割允许工程师生产比使用其他切割方法制造的更小的硅部件。

硅耐高温和耐老化，而且易于加工。硅的典型应用包括计算机、电子产品、纺织品、家用产品、汽车和建筑。

结论

激光切割的引入为制造业带来了宝贵的利益。该机器有助于在一个周期内切割多种材料，从而节省时间并降低运营成本。了解激光切割的优缺点将帮助您为您的项目做出最佳选择。