激光切割理論及切割機(jī)工作原理簡(jiǎn)

1、激光切割理論及切割機(jī)工作原理2激光原理及切割應(yīng)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(chǎn)生輻射而強(qiáng)化放大的光?？s寫為L(zhǎng)ASER，激光的英文全名已完全表達(dá)了制造激光的主要過程。 在日常生活中上激光的運(yùn)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(qū)(如藍(lán)光)等等。在工業(yè)上，激光常用于微細(xì)加工與精密量測(cè)兩大類。在軍事上，應(yīng)用在攔截導(dǎo)彈及癱瘓衛(wèi)星的遠(yuǎn)程武器。甚至廣泛應(yīng)用醫(yī)學(xué)上?，F(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(chǎn)生的呢？以下我們將會(huì)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(gòu)造。原子由原子核與在周圍繞轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成，電子在一定的軌道繞轉(zhuǎn)，各軌道各有一定的能量，離原子愈遠(yuǎn)的軌道能階愈高。下圖為碳原子構(gòu)成示意圖。4量子理論提出物質(zhì)與輻射的作用有三個(gè)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(shí)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(yīng)。如果在外來能量激發(fā)下，使物質(zhì)中大部分的原子都處于高能階數(shù)，此時(shí)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(zhuǎn))，它是產(chǎn)生激光必備之條件。此時(shí)少量的光子就能夠藉受激輻射的連鎖反應(yīng)來產(chǎn)生激光了。6產(chǎn)生激光具備下列三要素:1.激光介質(zhì)：即受激發(fā)后能生粒數(shù)分布倒反的現(xiàn)象。不同的介質(zhì)，其輸出光的波長(zhǎng)亦不同，所以常以介質(zhì)來命名，例如用紅寶石做為介質(zhì)，就產(chǎn)生紅寶石激光。介質(zhì)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(zhǔn)分子激光)。激光介質(zhì)不同，發(fā)出來的光顏色也不同，也有不同的特

4、性及應(yīng)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(zhì)，使其激發(fā)至高能階的數(shù)目大增，并產(chǎn)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(xué)激發(fā)和其他激發(fā)法。3.共振腔：在介質(zhì)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(nèi)來回反射，使被激發(fā)的光經(jīng)過介質(zhì)多次激發(fā)得到足夠的放大，當(dāng)放大到可以穿透半反射鏡時(shí)，激光便從半反射鏡發(fā)射出去。7激光是通過受激輻射產(chǎn)生，其特性有四個(gè)特點(diǎn)： 高亮度性：激光是具有相當(dāng)平行的光，具有低發(fā)散性，所以在光軸上單位面積上會(huì)高度的集中能量，就會(huì)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(dāng)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(shí)均會(huì)有擴(kuò)散的現(xiàn)象，向四面八方發(fā)散后，會(huì)迅速變?nèi)?。激光利用高方向性，可以?yīng)用在通訊、測(cè)量。 單色性：激光是由單一波長(zhǎng)、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(zhì)純具有單色性。高相干性：激光組成光子都有相同的波長(zhǎng)、頻率，所以將其疊加起來便產(chǎn)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(jìn)而發(fā)展運(yùn)用了干涉現(xiàn)象的高精度量測(cè)。8激光應(yīng)用 激光是20世紀(jì)的新光源，其具有各項(xiàng)特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在已開發(fā)多種應(yīng)用激光的技術(shù)，如

6、激光能源和激光冷卻。激光加工更是激光應(yīng)用中最有發(fā)展前景的領(lǐng)域之一。 激光的空間和時(shí)間控制性很好，對(duì)加工物件的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用自動(dòng)化加工。激光加工系統(tǒng)與電腦數(shù)控技術(shù)相結(jié)合更可構(gòu)成高效自動(dòng)化加工設(shè)備，更有效發(fā)展出優(yōu)質(zhì)、高效率和低成本的加工生產(chǎn)環(huán)境。 激光加工應(yīng)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(biāo)記、焊接、表面處理均極有利。在冷加工則對(duì)光化學(xué)沉積，激光快速成形技術(shù)，激光刻蝕，摻染和氧化都很合適。其激光加工均可應(yīng)用在金屬和非金屬材料上。以下主要說明激光切割的應(yīng)用領(lǐng)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(jīng)聚焦透鏡聚焦，將激光能量聚集在極小的焦點(diǎn)光斑處，使焦點(diǎn)處激光功率密度可高達(dá)106109W/cm2。材料處于焦點(diǎn)受到高功率密度的激光光斑照射后，會(huì)產(chǎn)生10000C 以上的局部高溫，使材料瞬間熔化甚至汽化，進(jìn)而利用激光束或材料相對(duì)移動(dòng)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(shù)廣泛被應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工，可減少加工時(shí)間，降低加工成本，提高工件品質(zhì)。但激光在切割應(yīng)用上還是有局限和缺點(diǎn)，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(shí)也會(huì)被灼燒了，而切割膠合板在經(jīng)濟(jì)上還遠(yuǎn)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(qiáng)能量并保持在極小的區(qū)域內(nèi)，

8、把它應(yīng)用于切割有許多特點(diǎn)。(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(duì)工件不施加任何力。(1)工件無機(jī)械變形。(2)無刀具磨損，也談不上刀具的轉(zhuǎn)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(qiáng)，并有高的適應(yīng)性和柔性。(1)與自動(dòng)化設(shè)備相結(jié)合很方便，容易實(shí)現(xiàn)制程自動(dòng)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(jì)算器結(jié)合，可整張板排料，節(jié)省材料。11激光切割實(shí)際運(yùn)用 實(shí)際運(yùn)用激光切割加工時(shí)會(huì)依照材料或工藝加入與材料相適應(yīng)的輔助性氣體，以達(dá)到需求的工藝效果。

9、激光加工鋼材等金屬材料切割時(shí)會(huì)用氧作為輔助氣體，增加助燃反應(yīng)，加速材料熔化，同時(shí)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(huì)過度燒熔。加工棉、紙等易燃材料切割時(shí)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(hù)切縫不被氧化，藉以提高加工效率及品質(zhì)。進(jìn)入噴嘴時(shí)還能冷卻相關(guān)透鏡防止鏡片過熱及防止煙塵進(jìn)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(jìn)行激光切割加工。當(dāng)然，對(duì)高反射率材料，如金、銀、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導(dǎo)體，因此激光切割很困難，甚至不能切割。12激光切割機(jī)工作原理介紹懸臂式切割機(jī) 龍門切割機(jī) 13激光切割機(jī)工作原理 激光切割機(jī)是運(yùn)

10、用調(diào)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(duì)運(yùn)動(dòng)，從而形成一定形狀的切縫；相對(duì)的運(yùn)動(dòng)控制再結(jié)合數(shù)控技術(shù)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(jìn)的加工方法。 激光切割設(shè)備是光、機(jī)、電一體化的綜合技術(shù)結(jié)合。激光光束的參數(shù)、機(jī)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(zhì)。 激光切割機(jī)系統(tǒng)一般由激光發(fā)生器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機(jī)床、控制系統(tǒng)等部分組成。 下面就簡(jiǎn)單介紹我們公司發(fā)展的激光切割設(shè)備。14激光發(fā)生器 主要是產(chǎn)生激光，經(jīng)由折射及聚焦后，進(jìn)行切割，目前是采用光纖激光器，其優(yōu)點(diǎn)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(shù)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(diào) 整范圍。5.激光參數(shù)可調(diào)整(頻率、脈沖寬度)，提高切割效果。6.激光上升時(shí)間短，可有效縮短切割加工時(shí)間。7.體積輕巧，組裝方便，光路校正簡(jiǎn)單。15 在短期內(nèi)，光纖激光器具有其他激光器無可比擬的技術(shù)優(yōu)越性，可作為激光技術(shù)的階段性代表。應(yīng)用上光纖激光器仍然有功率大小及技術(shù)維修上等待突破的問題。16激光導(dǎo)光系統(tǒng) 主要是將激光，經(jīng)由折射及聚焦后，將其導(dǎo)向所需要的地方，并進(jìn)行所需的加工。 由于光纖激光器無光學(xué)鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。且激光由光纖導(dǎo)出，使得激光能輕

12、易勝任各種多維任意空間加工的應(yīng)用，使機(jī)鐐銬統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得更簡(jiǎn)單。 激光傳導(dǎo)過程中，所有的鏡片都會(huì)由于制造工藝或受外界污染等原因?qū)е络R片壽命縮短。 其中鏡片污染會(huì)導(dǎo)致鏡片對(duì)激光吸收率增加，進(jìn)而產(chǎn)生光束傳播時(shí)的功率損耗、聚焦光點(diǎn)位置的偏移動(dòng)及鍍膜層的過早損壞。 所以光學(xué)透鏡保持清潔是最重要的，要有良好的清潔習(xí)慣去小心清洗鏡片，就能減少或清除有關(guān)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(diào)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(jī)機(jī)構(gòu)部分花崗巖底座 整個(gè)精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的基礎(chǔ)，平臺(tái)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(dá)到穩(wěn)固及低變形量，以達(dá)良好防震效果、剛性及平坦度。且表面質(zhì)感佳，保養(yǎng)容易，沒有生銹的問題。19XY移動(dòng)平臺(tái) 移動(dòng)平臺(tái)介紹驅(qū)動(dòng)方式及直線限制兩部份。 我們移動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)方式采用直線電機(jī)，所謂直線電機(jī)，是一種將傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿軸線方向切開后，將外圈永久磁鐵展開作為直線電機(jī)的定子，通電后在電磁力的作用下中央三相電機(jī)部份會(huì)延定子做直線運(yùn)動(dòng)，成為直線電機(jī)的動(dòng)子。我們常說的磁懸浮，往往和直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)有著很大聯(lián)系。磁浮運(yùn)輸系統(tǒng)通常采用直線電機(jī)作為推進(jìn)系統(tǒng)。20 應(yīng)用上直線電機(jī)使用還分為動(dòng)子內(nèi)有鐵心和無鐵心兩種形式；動(dòng)子由鐵心構(gòu)成的線性驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，屬于推力較大的一型。動(dòng)子無鐵心構(gòu)成的線性驅(qū)動(dòng)

14、產(chǎn)品，質(zhì)輕且有極佳動(dòng)態(tài)特性(動(dòng)能反應(yīng)快)。21直線限制 直線限制部分是采用研磨級(jí)的高精度滑軌和滑塊，并以能調(diào)整精度的安裝方式組裝藉以達(dá)到安裝的精度，提高組裝后平臺(tái)移動(dòng)的穩(wěn)定性及精度。并且安裝基面的臺(tái)階加工需注意滑軌及滑塊的倒角形式。22XY移動(dòng)平臺(tái)相對(duì)移動(dòng)方向，可分為三種移動(dòng)方式1.切割過程中，只有工作臺(tái)移動(dòng)，而光束則固定不動(dòng)。 2.切割過程中，只有光束移動(dòng)，工作臺(tái)不移動(dòng)。 3.切割過程中，光束與工作臺(tái)都移動(dòng)。23控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制采用運(yùn)動(dòng)控制器作為協(xié)調(diào)及處理運(yùn)動(dòng)命令。 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器主要進(jìn)行訊號(hào)編碼及驅(qū)動(dòng)線性馬達(dá)動(dòng)作。 程序控制方式是采用通過操作軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，并監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)。切割文件讀入后

15、可轉(zhuǎn)為圖形顯示，執(zhí)行操作時(shí)控制程序會(huì)將依照文件中數(shù)控命令讀入PMAC運(yùn)動(dòng)控制器，并由PMAC對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器)及激光器送出訊號(hào)進(jìn)行移動(dòng)及開關(guān)激光的控制。24干涉補(bǔ)正 設(shè)備安裝后會(huì)由安裝時(shí)的積累誤差使其精度有限，為提高設(shè)備精準(zhǔn)度，需進(jìn)行激光干涉校正。 激光干涉校正是利用激光干涉儀測(cè)定平臺(tái)移動(dòng)距離，與實(shí)際給定距離比較后，對(duì)移動(dòng)誤差給予補(bǔ)償使移動(dòng)距離達(dá)到所要求的精度。校正要求為：定位精度：3m，重復(fù)定位精度：1.5m25激光干涉原理 激光光經(jīng)由分束鏡(半反射鏡)，將光束一分為二，一束射向一個(gè)固定反射鏡，一束射向移動(dòng)反射鏡。這二反射鏡所反射的光，回到分束鏡內(nèi)重新會(huì)合，合并成一道光束并產(chǎn)生干涉條紋射至光電感測(cè)器，因感測(cè)器感測(cè)出這些條紋的明暗變化，經(jīng)由信號(hào)處理，即能計(jì)算出移動(dòng)反射鏡所移動(dòng)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(duì)切割 精度和效果都有直接的影響。焦點(diǎn)位置：激光切割的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn) 位置，以便集中切割能量密度及產(chǎn)生窄的切縫 保持切割精度。27噴嘴：激光切割時(shí),氧氣和聚焦的激光光束是通過噴嘴射 到被切材料處,從