什么是激光切割？

激光切割技术通过提供传统切割方法无法匹配的精确性和多功能性来改变制造业领域.

起源于1960年代后期, 激光切割经历了重大进步, 从基本系统发展到高度复杂的, 计算机控制的机器.

今天, 它在各个行业中起着至关重要的作用, 包括航空航天, 汽车, 和电子产品, 具有出色的准确性和效率的复杂组件的生产.

该博客文章深入研究激光切割的复杂性, 探索其过程, 类型, 优势, 申请, 和成本.

1. 什么是激光切割?

以其核心, 激光切割涉及将高功率激光束引导到材料表面上以融化, 烧伤, 或使它蒸发, 创建一个削减.

激光束由激光源产生, 它会产生一个可以集中在很小的点的浓缩光束.

这种集中的能量允许使用传统切割方法难以实现的高度详细和复杂的切割.

2. 激光切割的工作方式

激光切割是使用高功率激光束切割材料的精确而有效的方法.

该过程涉及几个关键步骤和组件，这些步骤和组件共同起作用，以实现准确，清洁的切割. 这是激光切割的工作方式的详细分解:

激光产生

• 激发激发介质: 激光切割过程的第一步是激光束的产生.
  这是通过激发激光介质来实现的, 可以是气体 (像二氧化碳), 固体 (喜欢ND: yag), 或纤维 (像纤维激光器一样).

• • 二氧化碳激光器: 气体混合物 (通常是二氧化碳, 氮, 和氦气) 被电刺激以产生激光束.
  • 纤维激光器: 二极管泵源激发了稀土掺杂的光纤电缆，以生成激光束.
  • ND: YAG激光器: 闪光灯或二极管泵激发了互粉的Yttrium铝石榴石晶体以产生激光束.

光束聚焦

• 光学组件: 生成的激光束是使用一系列镜子和镜头的指向和聚焦的.
• 聚焦镜头: 最后的镜头将激光束聚焦在材料上的小位置, 通常之间 0.001 和 0.005 直径英寸.
  这种浓度的能量导致功率密度非常高.
• 梁输送系统: 聚焦的光束通过切割头传递到材料, 可以以多轴移动以遵循所需的切割路径.

物质相互作用

• 热产生: 聚焦激光束在与材料接触时产生强烈的热量.
  温度可以达到数千摄氏度, 导致材料融化, 烧伤, 或蒸发.
• 切割机制:

• • 融化: 对于高导热率的材料 (像金属), 热量导致材料融化.
  • 燃烧: 用于可燃材料 (像木头或纸), 热量使材料燃烧.
  • 汽化: 对于低沸点的材料 (喜欢塑料), 热量导致材料蒸发.

协助气体

• 辅助气体的作用: 辅助气体通常用于增强切割过程并提高切割质量.

• • 氧: 用于切割金属, 氧气用于支持放热反应, 这有助于更有效地切入材料.
  • 氮: 用于切割金属, 氮用于保护切口免受氧化, 导致更清洁，更光滑的切割.
  • 空气: 用于切割非金属, 空气可用于吹走熔融或燃烧的材料, 确保清洁.

切割路径控制

• 计算机控制: 切割路径由计算机辅助设计控制 (卡德) 和计算机辅助制造 (凸轮) 系统.
  CAD软件设计要剪切的形状, CAM软件将此设计转换为控制切割头运动的机器代码.
• 运动系统: 切割头安装在一个可以在多个轴上移动的运动系统上 (x, y, 有时是z).
  这允许激光遵循CAD/CAM软件定义的精确路径.

冷却和安全

• 冷却系统: 防止过热并确保稳定的性能, 激光切割机配备了冷却系统.
  这可以是水冷或气冷, 取决于激光的类型和大小.
• 安全措施: 激光切割涉及高强度的光线和潜在的危险材料. 安全措施包括:

• • 封闭的工作区: 切割区域通常被封闭以防止激光辐射逃脱.
  • 保护性眼镜: 操作员必须佩戴适当的保护性眼镜，以屏蔽眼睛免受激光束.
  • 通风系统: 通风系统用于去除切割过程中产生的烟雾和颗粒.

3. 激光切割器的主要类型

激光切割技术提供了多种选择, 每个针对特定材料和应用量身定制的. 激光切割器的主要类型是:

二氧化碳激光切割器

二氧化碳激光器通过通过一系列镜子和镜头发射高功率激光光束来操作, 将其集中在精确度上.
激光束与材料表面相互作用, 将其加热到汽化或熔化的点, 从而创建所需的剪裁.

特征:

• 波长: 10.6 微米
• 功率输出: 通常范围从 200 到 10,000 瓦特
• 物质适合性: 非常适合切割非金属材料和较薄的金属
• 效率: 降低电效率 (大约 10%)

申请:

• 非金属材料: 木头, 丙烯酸纤维, 纸板, 纸, 织物, 和皮革
• 较薄的金属: 碳钢, 不锈钢, 和铝 10-20 毫米厚

优势:

• 高精度: 能够实现非常精细的削减和详细的工作
• 多功能性: 适用于多种材料
• 成本效益: 与其他类型相比，初始成本较低

缺点:

• 限于较薄的金属: 不理想切割较厚的金属
• 维护: 需要定期维护气体混合物和光学组件

纤维激光切割器

纤维激光切割利用通过光纤生成的高功率激光器, 将集中光束聚焦到材料的表面上.
这种方法在精确切割薄到中厚的材料（例如不锈钢）方面表现出色, 铝, 和合金.

特征:

• 波长: 1.064 微米
• 功率输出: 范围从 20 到 15,000 瓦特
• 物质适合性: 非常适合切割金属, 特别是反光的
• 效率: 较高的电效率 (到 30%)

申请:

• 金属: 不锈钢, 碳钢, 铝, 和其他反射金属
• 厚度: 能够切割金属 30 毫米厚

优势:

• 高效率: 降低功耗和更高的切割速度
• 维护低: 较少的活动部件和频繁的维护
• 反射材料的兼容性: 可以切割高反射金属而不会损坏激光器

缺点:

• 更高的初始成本: 比二氧化碳激光切割机贵
• 仅限于金属: 不适合非金属材料

ND:yag (培养北二氧化氢铝石榴石) 激光切割机

(培养北二氧化氢铝石榴石) 激光切割利用晶杆作为激光培养基, 产生高能激光束.
此方法特别适合较厚的材料和应用，需要强大的切割能力.

特征:

• 波长: 1.064 微米
• 功率输出: 范围从 100 到 4,000 瓦特
• 物质适合性: 适合各种材料, 包括金属, 陶瓷, 和塑料
• 效率: 中等电效率 (大约 3%)

申请:

• 金属: 不锈钢, 碳钢, 和其他金属
• 陶瓷和塑料: 高精度切割和钻孔
• 厚度: 能够将厚的材料切割至 50 毫米

优势:

• 高精度: 非常适合复杂和详细的工作
• 多功能性: 适用于多种材料
• 脉冲操作: 可以在连续和脉冲模式下运行, 为不同的应用程序制作多功能

缺点:

• 更高的初始成本: 比二氧化碳激光切割机贵
• 维护: 需要定期维护灯和光学组件
• 大小和复杂性: 与纤维和二氧化碳激光器相比，更大，更复杂的系统

激光类型的比较

	二氧化碳激光	水晶激光器 (ND: yag或nd: 伊娃)	纤维激光器
状态	基于气体	固态	固态
材料类型	木头, 丙烯酸纤维, 玻璃, 纸, 纺织品, 塑料, 箔和电影, 皮革, 石头	金属, 涂层金属, 塑料, 陶瓷	金属, 涂层金属, 塑料
泵源	气排放	灯, 二极管激光	二极管激光
波长 (µm)	10.6	1.06	1.07
效率 (%)	10	2 - 灯, 6 - 二极管	<30
斑点直径 (毫米)	0.15	0.3	0.15
MW/CM2功率密度	84.9	8.5	113.2

4. 激光切割的主要设置和参数是什么?

激光切割取决于控制激光强度的特定参数和设置, 重点, 速度, 以及获得最佳结果至关重要的其他关键因素.
每个参数都会显着影响各种材料的降低质量和效率.

激光功率

激光功率表示用于切割的激光束的强度, 这是一个直接影响切削能力和速度的基本参数.
通常以瓦数测量 (w), 激光功率范围从 1,000 到 10,000 瓦特 (1-10 KW), 取决于正在处理的材料和厚度.

激光束模式 (有模式)

激光束模式, 也称为横向电磁模式 (有模式), 定义激光光束轮廓的形状和质量.

TEM00模式, 以高斯光束轮廓为特征, 通常用于精确切割应用.

物质厚度

材料厚度是指切割的材料的尺寸, 根据应用程序和材料类型的变化很大.

激光切割可以处理薄纸的材料 (0.1 毫米) 到较厚的板 (到 25 毫米), 为汽车等行业制作多功能, 航天, 和电子产品.

切割速度

切割速度表明激光在切割过程中的速度在材料表面上移动的速度.

以每分钟米为单位测量 (M/我), 它通常范围从 1 m/min到 20 M/我.

优化切割速度达到效率和质量之间的平衡, 确保精确的削减，而不会损害材料的完整性.

有助于气压

辅助气体压力对于割断切割的熔融材料时的激光切割至关重要, 确保干净的边缘.

辅助气体的压力, 氧气还是氮, 通常在之间保持 5 酒吧和 20 酒吧, 取决于材料和切割要求.

聚焦位置

聚焦位置表示激光镜头与材料表面之间的距离, 确定激光束在何处达到最大强度以进行有效切割.

调整聚焦位置 (通常之间 0.5 MM和 5 毫米) 对于维持不同材料厚度的切割精度至关重要.

脉冲频率

脉冲频率定义了在切割过程中激光发射脉冲的频率, 从单个脉冲到kilohertz的频率不等 (千赫) 范围.

优化脉冲频率提高了切割效率和热量分布, 导致所需的剪切质量和边缘饰面.

梁直径/斑点尺寸

梁直径, 或斑点大小, 指在其焦点处的激光束的大小, 通常在之间保持 0.1 MM和 0.5 毫米用于高精度切割.

控制光束直径可确保准确的材料去除并最大程度地减少热影响区域, 这对于复杂的切割任务至关重要.

切割气体类型

使用的切割气体类型 - 例如氧气, 氮, 或混合物 - 显着影响切割过程和结果.

不同的气体与材料唯一反应, 影响削减质量, 速度, 和边缘. 选择正确的切口气体对于实现所需的结果至关重要.

喷嘴直径

喷嘴直径是指喷嘴的直径，辅助气体流到材料表面上.

它应与梁直径匹配，以进行有效的材料去除和干净的切口.

通常, 喷嘴直径范围为 1 MM TO 3 毫米, 取决于应用和材料厚度.

5. 激光切割的优势

激光切割技术提供了许多好处，使其成为各种制造应用中的首选选择. 这是关键优势:

精度和准确性

激光切割以其高精度和实现紧密公差的能力而闻名, 通常在±0.1 mm之内.

聚焦激光光束允许进行复杂的设计和详细的切割, 非常适合需要确切规格的应用程序.

这种准确性降低了对次级操作的需求, 节省时间和成本.

效率和速度

激光切割的杰出功能之一是速度. 激光器可以连续运行并以快速速度切割, 显着提高生产率.

例如, 纤维激光器可以以超过的速度切开金属 30 每分钟仪表, 取决于材料厚度.

这种效率减少了整体生产时间, 使其适用于小型和大型制造.

物质灵活性

激光切割用途广泛，能够切割多种材料, 包括金属 (像钢, 铝, 和钛), 塑料, 木头, 玻璃, 甚至纺织品.

这种灵活性使制造商可以将激光切割用于各种应用, 从原型制作到多个行业的最终产量.

成本效益

尽管最初对激光切割设备进行投资, 长期节省是可观的.

激光切割可最大程度地减少材料浪费，因为其精确的切割能力, 降低整体材料成本.

此外, 随着时间的推移，激光切割的速度和效率导致运营成本降低, 使其成为制造商的成本效益解决方案.

环境利益

与传统切割方法相比，激光切割更环保. 它产生的浪费和排放最小, 多亏了其精确的切割功能.

该技术通常需要更少的资源进行清理和次级操作, 进一步降低其环境足迹.

而且, 激光技术的进步导致了更节能的机器, 为可持续制造实践做出贡献.

最小的工具磨损

与机械切割方法不同, 激光切割不涉及与材料的物理接触, 这导致工具上的磨损最少.

缺乏联系可降低维护成本，并延长切割设备的寿命, 使其成为制造商的可靠选择.

多功能应用程序

激光切割适合各个行业的各种应用, 包括汽车, 航天, 电子产品, 和定制制造.

它创建复杂的设计和精确切割的能力，对于生产从复杂组件到装饰元素的所有内容都非常宝贵.

6. 激光切割的缺点

虽然激光削减提供了许多好处, 它还带来了制造商应考虑的某些缺点. 这是激光切割技术的主要缺点:

初始成本

采用激光切割技术的最重要的障碍之一是设备所需的高初始投资.

工业级激光切割机可能很昂贵, 这可能阻止较小的企业或初创公司利用这项技术.

此外, 维护和维修的成本可以增加总体财务负担.

维护

激光切割机需要定期维护以确保最佳性能和精度. 这包括校准, 镜头清洁, 和周期性检查.

无法正确维护设备会导致切割质量降低, 生产时间更长, 并增加了运营成本.

对于技术专长有限的企业, 这可能构成挑战.

物质限制

并非所有材料都适用于激光切割. 反射金属, 例如铜和黄铜, 可以通过反射激光束引起问题, 可能损坏设备.

此外, 切割期间某些材料可能会产生危险的烟雾或碎屑, 需要适当的通风和安全措施.

安全问题

激光切割呈现安全风险, 包括激光束的潜在眼损伤和切割过程中高温产生的火灾危害.

操作员必须遵守严格的安全协议, 穿防护装备, 并确保适当的机器操作以减轻这些风险.

实施安全措施可以提高运营复杂性和成本.

受热的区域 (haz)

激光切割期间产生的高温会产生热影响区域 (haz) 周围的边缘.

这些领域可能会发生变化材料特性, 例如硬度或脆弱, 会影响成品的完整性.

在需要精确材料特征的应用中, 这可能是一个关键问题.

有限的厚度能力

当激光切割时，处理较薄至中等厚的材料, 它可能与极其厚的材料困难.

随着材料厚度的增加，切割速度可能会显着降低, 导致更长的处理时间和实现干净削减的潜在挑战.

用于较厚的材料, 其他切割方法, 例如血浆切割, 可能更有效.

依赖操作员技能

激光切割的效率和质量在很大程度上取决于操作员的技能水平.

正确的设置, 材料选择, 和机器校准需要训练有素且经验丰富的技术人员.

缺乏专业知识会导致质量较差, 浪费增加, 和生产延迟.

7. 激光切割的应用

激光切割用于各种各样的行业:

工业应用

• 汽车行业: 精确切割组件，例如支架和底盘零件.
• 航空业: 制造需要高精度的关键结构元素.
• 电子产品: 削减电路板和组件的公差最低.

消费品

• 珠宝和配件: 创建需要细节的复杂设计.
• 家居装饰和家具: 根据个人喜好量身定制的定制作品.

医疗应用

• 手术器械: 精确切割手术过程中使用的工具和工具.
• 植入物和假肢: 调整解决方案以满足特定的患者需求.

艺术和设计

• 定制艺术作品: 为雕塑和装饰物品生产独特的设计.
• 标牌和雕刻: 高质量的雕刻标志和促销展示.

8. 激光切割中的物质注意事项

选择激光切割的材料, 考虑各种因素，例如材料类型至关重要, 厚度, 和属性.

这些考虑可能会极大地影响切割过程, 质量, 和效率. 这是详细介绍激光切割的材料注意事项:

材料类型

金属:

• 不锈钢:

• • 特性: 高力量, 耐腐蚀性, 和反射率.
  • 适应性: 由于其高反射率，最好用纤维激光器切割.
  • 申请: 汽车, 航天, 医疗设备.

• 碳钢:

• • 特性: 高强度和耐用性.
  • 适应性: 可以用二氧化碳和纤维激光器切割.
  • 申请: 建造, 制造业, 汽车.

• 铝:

• • 特性: 轻的, 高热电导率, 和反射率.
  • 适应性: 由于其反射率，最好用纤维激光器切割.
  • 申请: 航天, 电子产品, 汽车.

• 铜 和 黄铜:

• • 特性: 高热电导率和反射率.
  • 适应性: 削减挑战; 需要专门的技术和更高的功率激光器.
  • 申请: 电气组件, 珠宝, 装饰物品.

非金属:

• 丙烯酸纤维:

• • 特性: 透明的, 易于切割, 并产生光滑的边缘.
  • 适应性: 最佳用二氧化碳激光器切割.
  • 申请: 标牌, 显示, 装饰物品.

• 木头:

• • 特性: 变化密度和水分含量.
  • 适应性: 最佳用二氧化碳激光器切割.
  • 申请: 家具, 装饰物品, 定制项目.

• 纸和纸板:

• • 特性: 薄而易燃.
  • 适应性: 最佳用二氧化碳激光器切割.
  • 申请: 包装, 标牌, 自定义印刷品.

• 面料和纺织品:

• • 特性: 灵活，可以是热敏感的.
  • 适应性: 最佳用二氧化碳激光器切割.
  • 申请: 服饰, 内饰, 自定义设计.

• 塑料:

• • 特性: 在熔点和耐化学性方面差异很大.
  • 适应性: 最佳用二氧化碳激光器切割.
  • 申请: 原型, 消费品, 工业组件.

陶瓷和复合材料:

• 陶瓷:

• • 特性: 难的, 脆, 和耐热.
  • 适应性: 可以用ND切割: YAG或纤维激光器.
  • 申请: 电子产品, 医疗设备, 工业组件.

• 复合材料:

• • 特性: 根据矩阵和加固材料而变化.
  • 适应性: 削减可能具有挑战性; 需要仔细选择激光参数.
  • 申请: 航天, 汽车, 运动器材.

物质厚度

薄材料:

• 定义: 通常认为是材料 10 毫米厚.
• 切割特征:

• • 易于切割: 更容易以高精度和速度切割.
  • 热影响区 (haz): 较小的危险, 导致清洁剂.
  • 激光类型: 二氧化碳激光通常足以容纳薄材料, 但是纤维激光器也可以用于金属.

• 申请: 钣金, 薄型塑料, 纸, 和纺织品.

厚材料:

• 定义: 通常认为是材料 10 毫米厚.
• 切割特征:

• • 挑战: 需要更高的功率激光器和较慢的切割速度.
  • 热影响区 (haz): 更大的危险, 会影响材料的特性.
  • 激光类型: 对于厚金属而言，优选纤维激光器, nd: YAG激光器可以处理厚的陶瓷和复合材料.

• 申请: 结构成分, 重型机械零件, 厚板.

材料特性

导热率:

• 高热电导率: 铝和铜等材料迅速进行热量, 这会使切割更具挑战性. 通常需要更高的功率和较慢的速度.
• 低导热率: 塑料和木材等材料保留热量更多, 允许更快的切割速度.

反射率:

• 高反射率: 铝等反射材料, 铜, 如果无法正确管理，黄铜会损坏激光器. 纤维激光器由于较高的效率和反射较低的风险而更适合这些材料.
• 低反射率: 诸如木材和塑料之类的非反射材料更容易切割，对激光造成更少的风险.

熔点:

• 高熔点: 高熔点的材料, 例如钨和钼, 需要更高功率激光器和更精确的控制.
• 低熔点: 低熔点的材料, 例如塑料, 可以更轻松，更高的速度切割.

耐化学性:

• 化学抗性: 抗化学物质的材料, 例如ptfe (特氟龙), 可能需要特殊考虑以避免切割期间退化.
• 化学敏感: 对化学物质敏感的材料, 例如某些塑料, 可能会产生有毒的烟雾，需要适当的通风.

特殊考虑

kerf宽度:

• 定义: 激光器进行的切割宽度.
• 影响: 更宽的kerf会影响零件的合适和饰面, 特别是在精确申请中.
• 控制: 可以通过使用高功率激光器和优化切割参数来最大程度地减少kerf宽度.

边缘质量:

• 因素: 切割边缘的质量受激光功率的影响, 切割速度, 并协助汽油.
• 改进: 使用正确的辅助气体并保持稳定的切割速度可以提高边缘质量.

材料变形:

• 热影响区 (haz): 切口周围的材料已加热但没有融化的区域会变形材料.
• 最小化: 使用较低的功率和更快的切割速度可以降低HAZ并最大程度地减少变形.

烟雾和灰尘管理:

• 烟: 切割某些材料, 特别是塑料和复合材料, 会产生有害的烟雾.
• 灰尘: 细颗粒可以累积并影响切割过程.
• 解决方案: 适当的通风, 尘埃收集系统, 和个人防护设备 (PPE) 是必不可少的.

9. 激光切割的挑战和局限性

激光切割技术, 虽然有利, 还面临几个挑战和局限性，可能会影响其在某些应用中的有效性.

这是要考虑的一些关键挑战:

物质限制

并非所有材料都与激光切割兼容.

一些反射金属, 例如铜和黄铜, 可以反射激光束, 可能损坏切割设备并导致切割质量不佳.

此外, 用激光切割时某些塑料可能会发出有害气体, 需要适当的通风和安全措施.

费用考虑

从长远来看，由于材料浪费减少和生产时间更快，从长远来看，激光切割可能具有成本效益, 高质量激光切割机的初始资本投资可能很大.

对于希望实施高级制造技术的小型企业或初创公司而言，这种成本障碍尤其令人生畏.

技术限制

激光切割对其可以有效切割的材料厚度有局限性.

随着材料厚度的增加, 切割速度可能会降低, 导致处理时间更长.

在许多情况下, 传统切割方法, 例如等离子体或水喷射, 可能更适合较厚的材料, 在某些情况下限制激光切割的应用.

受热的区域 (haz)

高能激光束在切割过程中产生明显的热量, 导致热影响区域 (haz) 周围的边缘.

这些区域可以改变材料特性, 例如硬度和拉伸力, 这对于特定应用可能至关重要.

管理HAZ对于需要精确材料特征的行业至关重要.

10. 激光切割的未来趋势

技术进步:

• 更高的功率和效率: 开发更强大，更有效的激光器.
• 提高光束质量: 增强光束控制和聚焦技术.

自动化增加:

• 机器人系统: 自动切割过程的机器人臂集成.
• 智能制造: 使用物联网和数据分析来优化操作.

可持续性:

• 环保实践: 采用环保材料和流程.
• 节能技术: 节能激光系统的开发.

11. 结论

激光切割已成为现代制造的基石, 提供无与伦比的精度, 效率, 和多功能性.

尽管其初始成本和一些限制, 长期利益和技术进步使其成为广泛行业的宝贵工具.

随着技术的继续发展, 激光切割的未来看起来很有希望, 自动化增加, 可持续性, 和创新塑造制造业的景观.

我们希望本指南能使您对激光切割及其在现代制造中的意义有全面的了解.

无论您是经验丰富的专业人士还是刚开始, 激光切割的潜力巨大而令人兴奋.

如果您有任何激光切割的处理需求, 请随时 联系我们.