激光切割说明：技术、类型和应用
激光切割（一种热技术）在工业生产中有多种用途。即使是形状最复杂的金属板也可以通过激光切割设备快速雕刻和切片，从而提供卓越的效果。
激光切割机是一种通过使用高能聚焦激光束切割各种板材或片材来创建工业和业余爱好者使用的二维组件的设备。钢、木材和一些聚合物是常见材料。
此外还概述了不同激光切割方法之间的区别。在本文中，我们将探讨什么是激光切割、它的用途、类型、材料以及它的工作原理。我们还将讨论它的优点和缺点。
让我们开始吧！
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激光切割是利用计算机数控（CNC）通过光学引导的高功率激光切割材料的方法。
这种方法通常用于切割汽车、航空航天、电子和医疗等多个领域的材料，包括金属、塑料、陶瓷、木材、纺织品和纸张。
激光切割中借助同轴气体射流，利用集中激光束熔化特定位置的材料并产生切口。气体对激光束本身没有影响，但它可以有效地燃烧、熔化或蒸发物体。
产生的任何碎片都可以被吹走，保证高质量的最终边缘。蚀刻和焊接也可以使用激光切割来完成。
钕 (Nd) 激光器、CO2 激光器和钕钇铝石榴石 (Nd:YAG) 激光器是激光切割的三种主要方法。激光器的性能可能会受到其种类的影响。
激光切割的优点包括准确、精确、污染少和工件夹持更简单。具体来说，光纤激光器以其卓越的精密切割能力而闻名。
光纤激光器的主要优点之一是能够在长距离内提供恒定的光束质量；这样可以对各种材料和厚度进行均匀切割。这种均匀性减少了进一步处理的需要并提高了边缘质量。
“受激辐射光放大”或“激光”是一个缩写，指的是产生激光的物理原理。尽管激光物理的基本原理仍然相同，但该技术通常以三种方式使用：Nd:YAG 激光器、CO2 和光纤。
激光切割的常见用途
- 钣金切割是切割不同材料的板材和薄板的常用技术。
- 雕刻：为几乎任何材料添加优雅的木质标记或序列号。
- 激光焊接：使用激光束，可以精确地连接金属或热塑性塑料。
- 管材切割：此方法使用旋转轴在空心零件上切割复杂的轮廓。
图表
激光切割的类型
激光切割应用中经常使用三种不同类型的激光器。与固态光纤和 Nd 相比，CO2 激光器采用 CO2 以及各种惰性气体作为激光介质。晶体用作 YAG 激光器中的激光介质。这些不同的激光器基本上都在相同的前提下工作。
Nd:YAG/Nd:YVO 激光器
Nd:YAG 激光器中使用掺钕 (Nd) 的钇铝石榴石晶体 (Y3Al5O12)。由于掺杂，一些钇离子 (+-1%) 被替换为 Nd³⁺ 离子。
两块镜子（一面全反射，一面半反射）位于该晶体之间。一组激光二极管或氙/氪闪光管作为泵浦光子源。
Nd:YAG 晶体中的泵浦源提供的光子可提升钕离子的能级。在镜子之间进行镜像后，离子衰变并发射一系列光子，这些光子结合形成相干激光束。
切割头上的透镜用于将频率为 1064 nm 的相干高强度光束通过镜子引导到光束上进行聚集。
Nd:YVO 激光器中使用掺钕钒酸盐晶体 (YVO₄)，其功能与 Nd:YAG 激光器类似。而 Nd:YVO 激光器每秒可以产生更多的脉冲，具有更好的功率稳定性，并且发出的热量更少。
Nd:YAG 激光器非常适合打标和蚀刻，因为它们比光纤激光器具有更高的功率密度和更好的光束质量。另一方面，Nd:YAG 激光器的能源效率仅为个位数，但运营成本却明显更高。
光纤激光器
掺杂光纤电缆用作光纤激光器中的激光介质。光子被泵入石英或硼硅酸盐玻璃芯光纤灯丝的一端，以产生光纤激光束。
这些光子跟随光纤丝，直到到达稀土元素掺杂区域。典型元素有钕、钇、铒或铥。
当受到光子刺激时，这些稀土元素中的每一种都会产生具有不同波长的激光。然后使用光纤布拉格光栅来增加光线。
与 Nd:YAG 和 CO2 激光器中使用的反射镜和半反射镜类似，这些光栅来回反射光，产生级联光子。
一旦强度超过特定阈值，光就可以作为高强度相干光束穿过光栅。与其他激光器类似，光纤激光器使用气体来帮助切割或将熔融材料从激光束的路径中喷出。
光纤激光器通常较短的波长会导致吸收增加，使其成为反射材料并在切割过程中产生较少热量的理想选择。
例如，由于光纤电缆的灵活性，光纤切割头可以轻松连接到 6 轴机器人手臂，从而无需使用大量镜子来控制激光，而这对于 CO2 或 Nd:YAG 激光器来说是必需的。
光纤激光器的电效率优于 CO2 激光器。因此，反射材料和有效吸收热量的材料（如铜或金）是光纤激光器切割的理想选择。
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二氧化碳激光器
CO2（二氧化碳）激光器的组件是一个充满 CO2、氦气和氮气的管子。添加氦气和氮气以提高激光效率。氮作为短期能量储备，可以在光子释放时转移到 CO2 分子。
相比之下，一旦 CO2 分子释放光子，氦气就会利用动能转移来排出任何残余能量，从而使其能够从氮分子中吸收能量。
该管的一端有一个全反射镜。另一端的镜子仅产生部分反射。管内的气体被强大的电场电离，将 CO2 分子的电子激发到更高的能态，从而产生光子和光。
当光子靠近原子时，原子的激发态会释放光子。然后，一旦聚集了足够多的光子流过半反射镜，这些光子就会从两个镜子反弹。
使用低温气体或液体冷却管子，因为保持管内低温对于最大效率至关重要。在某些系统中，气体被回收以降低运营费用。
CO2 激光器是良好的通用激光器，波长为 10600 nm，可以切割金属薄板和板材以及各种其他材料。然而，高吸热和高反射材料对于 CO2 激光器来说很难使用。
激光切割过程
通常，使用好的透镜将激光束集中在工作区域上。集中光斑尺寸与光束质量直接相关。通常，集中光束最窄部分的宽度小于 0.0125 英寸（0.32 毫米）。
根据材料的厚度，切口宽度可小至 0.004 英寸（0.10 毫米）。每次切割都从刺穿开始，以便刀片可以从边缘以外的其他地方开始。
通常使用高功率脉冲激光束进行穿孔，对于 0.5 英寸厚（13 毫米）的不锈钢等材料，穿孔需要 5 至 15 秒。
激光源的平行相干光束的直径通常为 0.06 至 0.08 英寸（1.5 至 2.0 毫米）。为了产生极其强大的激光束，该光束通常通过透镜或镜子集中和增强到约 0.001 英寸（0.025 毫米）的非常小的区域。
当光束围绕轮廓工件的边缘时，必须调整光束偏振方向，以在轮廓切割过程中提供尽可能干净的表面效果。金属板材切割的焦距通常为 1.5 至 3 英寸（38 至 76 毫米）。
与机械切割相比，激光切割由于没有可能污染材料的切削刃，因此具有工件夹持更简单、工件污染更少的优点。
由于激光束在手术过程中不会磨损，因此可以提高精度。此外，由于激光系统只有很小的热影响区，因此被切割材料变形的危险较小。
此外，某些材料不可能或极难使用传统方法切割。虽然大多数工业激光器无法像等离子一样切割较厚的金属，但激光切割金属的优点是切割金属板材时更精确且消耗更少的能量。
尽管其资本成本明显高于可切割钢板等厚材料的等离子切割机，但以更高功率运行的新型激光机（6000 瓦，而早期激光切割机的额定功率为 1500 瓦）在切割厚材料的能力方面已接近等离子机。
常见激光切割材料
可以使用激光切割机对多种材料进行切片。以下是一些最常切片的材料的列表：
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感觉
毛毡是一种廉价的无纺布，手工切割具有挑战性，但使用激光切割机很容易切割。餐垫、装饰片和衣服都可以由毛毡制成。建议使用 95–100% 羊毛毡，因为合成毡通常由丙烯酸组成，切割效果非常差。
皮革
钱包、皮带和鞋子均由皮革制成，这是一种耐用的天然材料。皮革具有很高的感知价值，并且易于激光切割和雕刻，特别是在用于制作定制激光切割物体时。
假皮革是用来描述假皮革的术语。与此同时，其中一些材料可能包括 PVC，它在激光切割时会释放腐蚀性烟雾。
软木塞
软木橡树的树皮可产出软木，这是一种柔软的硬木物质，常用于制作插接板、防滑杯垫底座和鞋垫。激光切割和雕刻软木塞非常容易。
硬质纤维板
硬质纤维板比 MDF（中密度纤维板）更坚韧、更耐用，同时密度更大。使用胶水连接木纤维。
这种粘合剂在切割时会蒸发。这会释放出有害气体，需要使用排气系统。由于硬质纤维板均质，切割和雕刻可靠。
木材
功率相对适中（150-800 W）的 CO2 激光器可以轻松切割木材。然而，由于激光切割木材会产生烟雾，因此排气系统是必不可少的。
由于其纹理结构，天然木材在切割或雕刻时可能会出现不均匀的饰面。可以激光切割硬木和软木。
黄铜
铜、锌和其他一些二次合金金属结合形成黄铜。黄铜具有最小的摩擦力、导电性和耐腐蚀性。电气应用和低摩擦衬套是常见用途。
铝
具有各种合金成分和用途的各种铝合金统称为铝。由于其良好的强度重量比，铝经常用于飞机应用。
熔化后，铝会反光，这使得切割铝变得困难。尽管可以使用 CO2 激光器切割铝，但光纤激光器是切割铝最有效的工具。
不锈钢
铬和/或镍是不锈钢中的主要合金元素，不锈钢被归类为钢合金。许多物质不会损害不锈钢。任何激光切割方法都可以轻松切割不锈钢。但对于切割不锈钢，光纤激光器效果更好。
低碳钢或碳钢
以不同浓度的碳作为主要合金成分的各种钢被称为“碳钢”。另一种碳含量低于0.3%的碳钢是低碳钢。钢的碳含量越多，其强度就越高。高功率激光可切割20~25mm厚的板材。
PMMA，或丙烯酸
尽管丙烯酸树脂具有清洁的切削刃，但其散发的挥发性烟雾需要排气系统。为了使切割边缘牢固，需要调节气压，既能吹走蒸汽又能冷却切割。
当切割边缘仍处于熔融状态时，太大的气压会导致其弯曲。亚克力有时以其化学名称聚甲基丙烯酸甲酯或其营销名称 Perspex® 来提及。
激光切割如何工作？
激光切割使用高功率激光器，光束或材料由光学和计算机数控（CNC）引导。该技术通常遵循设计的 CNC 或 G 代码，使用运动控制系统将其切割到材料上。
集中的激光束通过燃烧、熔化、蒸发或被气体射流吹走，产生卓越的表面精加工边缘。密闭容器内的放电或灯会刺激激光材料产生激光束。
部分镜用于反射内部的激光材料，将其放大，直到其能量足以使其以相干单色光流的形式射出。镜子或光纤通过增强光束的透镜引导光束，从而将光线聚焦在工作区域上。
激光束最窄点的直径通常小于 0.0125 英寸（0.32 毫米），但根据材料的厚度，切口宽度可以薄至 0.004 英寸（0.10 毫米）。
当激光切割过程必须从材料边缘以外的某个地方开始时，就会使用穿孔程序。在这种方法中，高强度脉冲激光在材料中产生一个孔；例如，烧穿一块 0.5 英寸（13 毫米）厚的不锈钢板需要 5 到 15 秒。
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激光切割的优点
一种流行的工业方法是激光切割。下面列出了激光切割机在制造业中广泛使用的一些主要优势：
- 多功能材料：几乎任何材料都可以用激光切割机加工。被切割的材料、激光功率和激光技术都会对激光切割机可切割的材料的最大厚度产生重大影响。
- 后处理受限：激光切割零件不需要大量后处理。然而，在某些情况下，例如切割金属时，切割边缘可能需要去毛刺，因为边缘可能会粘附一些熔渣。
- 窄切割：根据材料和厚度，激光可以聚焦于极窄的光束，从而实现极小的切割宽度（小至 0.1 毫米）。
- 高精度：与 CNC 铣床等其他技术不同，激光切割机不会对切割头造成任何压力。因此，激光切割机极其精确。
- 高速：可以通过激光切割机快速雕刻出 2D 轮廓。切割塑料等柔性材料时可以实现高速。
- 自动化：激光切割机采用了很多自动化技术。某些机器甚至可以在几乎不需要人类帮助的情况下卸载零件并将原材料放置在切割床上。
- 刀具成本：与 CNC 加工相比，激光切割机不使用多种刀具。由于激光刀头不与原材料接触，因此不会因摩擦而产生刀具磨损。
- 无需工件夹持：激光切割机无需使用夹具和其他工件夹持工具即可进行切割。只需将材料放在切割床上即可；被切割时它不会移动。
激光切割的缺点
尽管激光切割具有所有优点，但仍然有一些缺点，详细说明如下：
- 耗电量高：激光切割，特别是 CO2 激光切割技术，耗电量很大。
- 厚度有限：激光切割机可以切割的厚度受到将激光束引导到高强度点的机制的限制。通常，它们仅限于板材和片材材料，最大厚度为 25 毫米。尽管可以切割较厚的材料，但普通制造公司通常无法做到这一点。
- 有害烟雾：切割某些材料（例如塑料或木材）时，可能会产生需要释放的有害燃烧烟雾。
- 昂贵的维护费用：在某些激光技术（例如 CO2）中，激光管是一种磨损物品，需要更新，通常成本很高。
- 初始成本高：激光切割机需要大量的初始资本支出。在某些情况下，等离子或火焰切割机等更便宜的技术可能更合适。
常见问题解答
激光切割是什么意思？
激光切割的方法是通过用激光汽化材料来形成切割边缘。虽然它最初用于工业生产，但学校、小型企业、建筑师和爱好者越来越多地使用它。
激光切割需要多少钱？
雕刻和激光切割的生产时间成本为每分钟 1 英镑。 30 分钟的服务费用为 30 英镑，包括艺术品的用品和安装费。如果制作时间为一小时，则制作时间为 60 英镑。根据工作的复杂性和强度，较大的作业可能会获得折扣。
激光切割的方法是什么？
在激光切割过程中，通常使用透镜（有时使用凹面镜）将激光束聚焦到具有足够功率密度的小点以进行激光切割。镜头与聚焦点之间的距离或焦距定义了镜头。
激光切割有什么好处？
当热量通过床传递以从材料片上切割部分时，它会熔化并经常使材料蒸发。零件被取出并可以进一步加工。激光切割机的多种用途包括雕刻、管材切割、激光焊接以及切割金属板材。
为什么激光这么贵？
这些要素包括机器维护和维修的成本、技术人员认证和培训的成本以及与经营医疗水疗中心或诊所相关的管理费用。 2023年3月18日
制造工艺