激光切割机的关键技术

2023-05-30 21:33 来源：网友发布作者：网友发布浏览：26

核心提示激光切割技术有两种：一种是脉冲激光适用于金属材料。第二种是连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。激光切割机的几项关键技术是光、机、电一体化的综合技术。在激光切割机中激光束的参数、机器与数控系统的性能和精度都直接影响激

激光切割技术有两种：一种是脉冲激光适用于金属材料。第二种是连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。

激光切割机的几项关键技术是光、机、电一体化的综合技术。在激光切割机中激光束的参数、机器与数控系统的性能和精度都直接影响激光切割的效率和质量。特别是对于切割精度较高或厚度较大的零件,必须掌握和解决以下几项关键技术：

焦点位置控制技术

激光切割的优点之一是光束的能量密度高,一般10W/cm2。由于能量密度与面积成反比，所以焦点光斑直径尽可能的小，以便产生一窄的切缝；同时焦点光斑直径还和透镜的焦深成正比。聚焦透镜焦深越小,焦点光斑直径就越小。但切割有飞溅,透镜离工件太近容易将透镜损坏，因此一般大功率CO2激光切割机工业应用中广泛采用5〃~75〃〞(127~190mm)的焦距。实际焦点光斑直径在01~04mm之间。对于高质量的切割,有效焦深还和透镜直径及被切材料有关。例如用5〃的透镜切碳钢,焦深为焦距的+2%范围内,即5mm左右。因此控制焦点相对于被切材料表面的位置十分重要。顾虑到切割质量、切割速度等因素,原则上6mm的金属材料,焦点在表面上； 6mm的碳钢,焦点在表面之上； 6mm的不锈钢,焦点在表面之下。具体尺寸由实验确定。

在工业生产中确定焦点位置的简便方法有三种：

（1）打印法：使切割头从上往下运动,在塑料板上进行激光束打印,打印直径最小处为焦点。

（2）斜板法：用和垂直轴成一角度斜放的塑料板使其水平拉动,寻找激光束的最小处为焦点。

（3）蓝色火花法：去掉喷嘴,吹空气,将脉冲激光打在不锈钢板上,使切割头从上往下运动,直至蓝色火花最大处为焦点。

对于飞行光路的切割机,由于光束发散角,切割近端和远端时光程长短不同,聚焦前的光束尺寸有一定差别。入射光束的直径越大,焦点光斑的直径越小。为了减少因聚焦前光束尺寸变化带来的焦点光斑尺寸的变化,国内外激光切割系统的制造商提供了一些专用的装置供用户选用：

（1）平行光管。这是一种常用的方法,即在CO2激光器的输出端加一平行光管进行扩束处理,扩束后的光束直径变大,发散角变小,使在切割工作范围内近端和远端聚焦前光束尺寸接近一致。

（2）在切割头上增加一独立的移动透镜的下轴,它与控制喷嘴到材料表面距离（stand off）的Z轴是两个相互独立的部分。当机床工作台移动或光轴移动时,光束从近端到远端F轴也同时移动,使光束聚焦后光斑直径在整个加工区域内保持一致。如图二所示。

（3）控制聚焦镜（一般为金属反射聚焦系统）的水压。若聚焦前光束尺寸变小而使焦点光斑直径变大时,自动控制水压改变聚焦曲率使焦点光斑直径变小。

（4）飞行光路切割机上增加x、y方向的补偿光路系统。即当切割远端光程增加时使补偿光路缩短；反之当切割近端光程减小时,使补偿光路增加,以保持光程长度一致。 X,Y工作范围：1300mm2500mm

切割聚焦镜头：F=80mm最大激光输出功率：500W调继冲频率：$300Hz电源脉冲宽度：05ms-2ms激光器：双灯镀金聚光腔切割接口卡：CNC 3000控制卡切割软件：适应PLT,DXF等格式制冷功率：4W重复定位精度：±003/300mm空程速度：0-20000mm/min切割速度：0-15000mm/min 切割精度是判断数控激光切割机质量好坏的第一要素。影响数控激光切割机的切割精度的四大因素：

1、激光发生器的激光凝聚的大小。聚集之后如果光斑非常小，则切割精度非常高，要是切割之后的缝隙也非常小。则说明激光切割机的精度非常之高，品质则非常高。但激光器发出的光束为锥形，所以切出来的缝隙也是锥形。这种条件下，工件厚度越大，精度也就会越低，因此切缝越大。

2、工作台的精度。工作台的精度如果非常高，则让切割的精度也随之提高。因此工作台的精度也是衡量激光发生器精度的一个非常重要的因素。

3、激光光束凝聚成锥形。切割时，激光光束是以锥形向下的，这时如果切割的工件的厚度非常大，切割的精度就会降低，则切出来的缝隙就会非常大。

4、切割的材料不同，也会影响到激光切割机的精度。在同样的情况下，切割不锈钢和切割铝其精度就会非常不同，不锈钢的切割精度就会高一些，而且切面也会光滑一些。

一般来说，激光切割质量可以由以下6个标准来衡量。

1切割表面粗糙度Rz

2切口挂渣尺寸

3切边垂直度和斜度u

4切割边缘圆角尺寸r

5条纹后拖量n

6平面度F 切割穿孔技术：任何一种热切割技术,除少数情况可以从板边缘开始外,一般都必须在板上穿一小孔。早先在激光冲压复合机上是用冲头先冲出一孔,然后再用激光从小孔处开始进行切割。对于没有冲压装置的激光切割机有两种穿孔的基本方法：

（1）爆破穿孔：(Blast drilling)，材料经连续激光的照射后在中心形成一凹坑,然后由与激光束同轴的氧流很快将熔融材料去除形成一孔。一般孔的大小与板厚有关,爆破穿孔平均直径为板厚的一半,因此对较厚的板爆破穿孔孔径较大,且不圆,不宜在要求较高的零件上使用（如石油筛缝管）,只能用于废料上。此外由于穿孔所用的氧气压力与切割时相同,飞溅较大。

（2）脉冲穿孔：（Pulse drilling）采用高峰值功率的脉冲激光使少量材料熔化或汽化,常用空气或氮气作为辅助气体,以减少因放热氧化使孔扩展,气体压力较切割时的氧气压力小。每个脉冲激光只产生小的微粒喷射,逐步深入,因此厚板穿孔时间需要几秒钟。一旦穿孔完成,立即将辅助气体换成氧气进行切割。这样穿孔直径较小,其穿孔质量优于爆破穿孔。为此所使用的激光器不但应具有较高的输出功率；更重要的时光束的时间和空间特性,因此一般横流CO2激光器不能适应激光切割的要求。

此外，脉冲穿孔还须要有较可靠的气路控制系统,以实现气体种类、气体压力的切换及穿孔时间的控制。在采用脉冲穿孔的情况下,为了获得高质量的切口,从工件静止时的脉冲穿孔到工件等速连续切割的过渡技术应以重视。从理论上讲通常可改变加速段的切割条件：如焦距、喷嘴位置、气体压力等,但实际上由于时间太短改变以上条件的可能性不大。在工业生产中主要采用改变激光平均功率的办法比较现实,具体方法有以下三种：（1）改变脉冲宽度；（2）改变脉冲频率；（3）同时改变脉冲宽度和频率。实际结果表明,第（3）种效果最好。喷嘴设计及气流控制技术：激光切割钢材时,氧气和聚焦的激光束是通过喷嘴射到被切材料处,从而形成一个气流束。对气流的基本要求是进入切口的气流量要大,速度要高,以便足够的氧化使切口材料充分进行放热反应；同时又有足够的动量将熔融材料喷射吹出。因此，除光束的质量及其控制直接影响切割质量外,喷嘴的设计及气流的控制（如喷嘴压力、工件在气流中的位置等）也是十分重要的因素。

激光切割用的喷嘴采用简单的结构,即一锥形孔带端部小圆孔（如图4）。通常用实验和误差方法进行设计。由于喷嘴一般用紫铜制造,体积较小,是易损零件,需经常更换,因此不进行流体力学计算与分析。在使用时从喷嘴侧面通入一定压力Pn(表压为Pg)的气体,称喷嘴压力,从喷嘴出口喷出,经一定距离到达工件表面,其压力称切割压力Pc,最后气体膨胀到大气压力Pa。研究工作表明随着Pn的增加,气流流速增加,Pc也不断增加。

可用下列公式计算： V=82d2(Pg+1)

V-气体流速 L/min

d-喷嘴直径 mm

Pg-喷嘴压力（表压）bar

对于不同的气体有不同的压力阈值,当喷嘴压力超过此值时,气流为正常斜激波,气流速从亚音速向超音速过渡。此阈值与Pn、Pa比值及气体分子的自由度（n）两因素有关：如氧气、空气的n=5,因此其阈值Pn=1bar×(12)35=189bar。当喷嘴压力更高Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2时（Pn；4bar）,气流正常斜激波封变为正激波,切割压力Pc下降,气流速度减低,并在工件表面形成涡流,削弱了气流去除熔融材料的作用,影响了切割速度。因此采用锥孔带端部小圆孔的喷嘴,其氧气的喷嘴压力常在3bar以下。

为进一步提高激光切割速度,可根据空气动力学原理,在提高喷嘴压力的前提下不产生正激波,设计制造一种缩放型喷嘴,即拉伐尔（Laval）喷嘴。为方便制造可采用如图4的结构。德国汉诺威大学激光中心使用500WCO2激光器,透镜焦距25〃,采用小孔喷嘴和拉伐尔喷嘴分别作了试验,见图4。试验结果如图5所示：分别表示NO2、NO4、NO5喷嘴在不同的氧气压力下,切口表面粗糙度Rz与切割速度Vc的函数关系。从图中可以看出NO2小孔喷嘴在Pn为400Kpa（或4bar）时切割速度只能达到275m/min（碳钢板厚为2mm）。NO4、NO5二种拉伐尔喷嘴在Pn为500Kpa到600Kpa时切割速度可达到35m/min和55m/min。应指出的是切割压力Pc还是工件与喷嘴距离的函数。由于斜激波在气流的边界多次反射,使切割压力呈周期性的变化。

第一高切割压力区紧邻喷嘴出口,工件表面至喷嘴出口的距离约为05~15mm,切割压力Pc大而稳定,是工业生产中切割手扳常用的工艺参数。第二高切割压力区约为喷嘴出口的3~35mm,切割压力Pc也较大,同样可以取得好的效果,并有利于保护透镜,提高其使用寿命。曲线上的其他高切割压力区由于距喷嘴出口太远,与聚焦光束难以匹配而无法采用。

脉冲输出型半导体激光器与连续输出型半导体激光器的区别哪个更容易掌握

一个原子吸收能量之后，从低能态到高能态的过程称为激发过程。反之，处于激发状态的原子是不稳定的，总是自发地回到低能态，同时有光子发出。这一过程叫“自发辐射”。如果原子吸收外界光能而跃迁到高能级，而受外界光感应产生辐射又回到低能态，这一过程叫“受激发射”。但是，只有采用一种办法使物质中大量粒子同时处于激发态，并通过外界光感应，使所有处于激发态的粒子几乎同步完成受激辐射回到低能态，这时物质才能发出一柬强大的光束来，称为“激光”。打个比方，激光的产生过程好比用水泵将水抽到水塔顶部，然后突然打开闸门，这时水就会以强大的力量喷射而出。当然，激光的产生过程要远比上面的例子复杂得多。

在固体激光器中，能产生激光的晶体或玻璃被称为激光工作物质。激光工作物质由基质和激活离子两部分组成，基质材料为激活离子提供了一个合适的存在与工作环境，而由激活离子完成激光产生过程。常用的激活离子主要是过渡金属离子，如铬、钻、镍等离子以及稀土金属离子，如钕离子等。

固体激光器主要由闪光灯、激光工作物质（如红宝石激光晶体）和反射腔镜片组成，反射镜表面镀有介质膜，一片为全反射镜，另一片为部分反射镜。掺铬红宝石是一种最早发现和使用的激光工作物质。现在已研制成功了数十种可供应用的激光晶体。当采用不同的激活离子、不同的基质材料和不同波长的光激励，会发射出各种不同波长的激光。

早期的固体激光器都是用闪光灯或其他激光器，来完成激光工作物质内原子的受激辐射过程的，这基本上是由一种形式的光能转化为激光能量的过程。如何把电能直接转化为激光的能量，一直是人们梦寐以求的事情。近年来，科学家成功地研制出了半导体激光器，一旦接通电源，便会发出激光。选用不同的半导体材料和不同制造工艺可以制造出功率不同、发射不同波长激光的激光器。半导体激光器的出现，大大减少了激光器的体积，米粒大的一个半导体芯片，接上电源，便会发射出神奇的激光。目前，半导体激光器已在许多方面得到了广泛的应用。

上面分析源自OFweek激光网，希望能帮到您。

高悬赏各位激光专家谁知道ipg 20瓦小功率激光器如何接线问题

就像楼上说的，低功率的连续的更容易一下，如果需要输出能量较大的话脉冲的就比较容易，因为高功率的连续激光器的话电流的输出能力需要比较大，这样电源上的要求会比较高的。如果只是低功率的激光器的话，连续输出的半导体只是要求一个恒流源就可以了，这样就比较简单了

仪器功率和激光功率一样吗

这个东西还是不要乱接，建议你查一下相关的说明书，找专业人士连接，看后面的铭牌，是IPG-YLP系列激光器，有具体的型号，根据这个查查相关说明书，

后面标注的，需要24VDC直流电源供电，就是24V的直流电源。

五根线，一般而言，接24V电源线棕色为正极,蓝色为负极,白色线接保护地。（这是一般情况，颜色不一定）

还有两根不知道是干啥的，要么就是还有两根220V电源线，要么就是还有两根线接继电器控制卡或者脚踏开关之类的控制元件。

建议根据后面的型号查找说明书，知道求助不太靠谱

在目前激光器中电光效率最高的激光器是固体激光器吗

激光功率和激光电源功率，由我来回答激光功率，激光功率越大，激光射的越远，和手电筒一样，电压越高，照的越远一样。1、假设一个脉冲激光器1秒钟发射10个脉冲（重复频率10Hz),每个脉冲100 mJ，每个脉冲持续10ns。那么脉冲能量是100 mJ。峰值功率是:100 mJ/10 ns=10,000,000W。平均功率是100mJ10Hz=1W。2、脉冲激光的能量和功率是不一样的，一般连续激光器用功率做参数，脉冲激光器用能量做参数，而对于连续激光器，一般用平均功率做参数。3、峰值功率=脉冲能量除以脉宽，平均功率=脉冲能量重复频率（每秒钟脉冲的个数）。4、频率越高，脉冲功率越大，能量越高，脉冲激光一般是小功率，连续激光一般是大功率。

激光器是能发射激光的装置。1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958年AL肖洛和CH汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。1960年TH梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961年A贾文等人制成了氦氖激光器。1962年RN霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。近来还发展了自由电子激光器，其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆盖从微波到X射线的广阔波段。按工作方式分，有连续式、脉冲式、调Q和超短脉冲式等几类。大功率激光器通常都是脉冲式输出。各种不同种类的激光器所发射的激光波长已达数千种，最长的波长为微波波段的07毫米，最短波长为远紫外区的210埃，X射线波段的激光器也正在研究中。

激光工作物质是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。

除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，装置的必不可少的组成部分包括激励（或抽运）、具有亚稳态能级的工作介质和谐振腔（见光学谐振腔）3部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的定向性和相干性。

激励(泵浦)系统是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置，常见的有以下四种。①光学激励(光泵)。是利用外界光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器组成。②气体放电激励。是利用在气体工作物质内发生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成。③化学激励。是利用在工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。④核能激励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。

光学共振腔通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合而成。作用为：①提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡。②对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。共振腔作用①，是由通常组成腔的两个反射镜的几何形状（反射面曲率半径）和相对组合方式所决定；而作用②，则是由给定共振腔型对腔内不同行进方向和不同频率的光，具有不同的选择性损耗特性所决定的。

几种常见激光器及其用途介绍如下：

Nd：YAG激光器，1064nm，固体激光器，连续激光器的最大输出功率1000W，可用于激光切割金属。

Ho：YAG，固体激光器，可产生对人眼安全的2097nm和2091nm激光，适用于雷达和医学应用。

He-Ne激光器，6328nm，气体激光器，功率为几mW，用于准直，定位，全息照相等。

CO2激光器，气体激光器，输出波长106um，广泛用于激光加工，医疗，大气通信及其他军事应用。

N2分子激光器，气体激光器，输出紫外光，峰值功率可达数十兆瓦，脉宽小于10ns，重复频率为数十至数千赫，作可调谐燃料激光器的泵浦源，也可用于荧光分析，检测污染等方面。

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回答于 2014-03-07

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应用最广的气体激光器是什么？

氦氖激光器是一种典型的原子气体激光器，也是人们最早研制成功而且目前仍然是应用最广的一种气体激光器。工作物质为惰性气体氦与氖的混合物，通常采用直流气体放电进行激励，其中氦原子起能量转移作用，而氖原子起粒子数反转和发射激光的作用，通常输出为6328埃的红色可见激光，也可制成近红外波段的激光输出，工作状态为连续运转。

广西师范大学出版社

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