文|史说百家

编辑|史说百家

激光切割机革新了制造和装配领域，为切割各种材料提供了精确高效的方法，这些机器利用光学和物理学原理产生高度集中和相干的光束，称为激光，可以以令人难以置信的精度切割材料。

激光切割的核心是依靠光学、光放大和受控材料去除的原理来实现各种材料的精确切割，术语“激光”是通过受激发射的光放大的缩写，它包括通过受激发射过程产生的特定方向的光发射，它的工作原理是什么？

当特定能量的入射光子与受激原子相互作用，使其释放出与入射光子具有相同能量、相位和方向的新光子时，就会发生受激发射，这个过程导致光的放大。

要使受激发射有效发生，必须达到称为粒子数反转的条件，这意味着激光介质中处于激发态(较高能级)的原子比处于基态(较低能级)的原子多，这种情况是通过将能量泵入激光介质来实现的，通常是通过放电或光泵。

从激光介质发射的光是高度相干的，这意味着发射的光子是同相的，并且具有相同的频率和方向，这种相干性使激光束聚焦成一个紧密的、集中的光斑，发散最小。

使用诸如透镜和镜子之类的光学部件来聚焦激光束，聚焦的激光束在焦点处产生高能量密度，能够精确切割材料，激光切割机床由几个基本部件组成，这些部件协同工作以产生和控制用于切割目的的激光束。

激光源是激光切割机床的心脏，它负责产生激光束，激光切割机床使用不同类型的激光器，如CO2激光器、光纤激光器和固态激光器，每种激光器都有其独特的特性和应用。

二氧化碳激光器广泛用于激光切割机，它们产生波长约为10.6微米的高能激光束，非常适合切割木材、丙烯酸和塑料等非金属材料，光纤激光器使用光纤来放大激光束。

由于其高能量密度和效率，它们特别适合切割金属，包括不锈钢、铝和黄铜，固态激光器:固态激光器，如Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)激光器，用途广泛，用于切割金属和非金属材料。

激光谐振器包含激光介质和光学元件，包括实现受激发射和产生激光束所需的反射镜和透镜，它在保持激光束的相干性和功率方面起着至关重要的作用。

光束传输系统负责将激光束从谐振器引导至切割头，并聚焦在待切割的材料上，它通常由一系列镜子和透镜组成，以精确引导和聚焦激光束。

切割头是固定聚焦透镜和喷嘴的部件，激光束在这里聚焦成一个小点，聚焦光束熔化并蒸发材料，从而实现精确切割，CNC(计算机数字控制)控制器是激光切割机床的大脑。

它接收来自计算机辅助设计(CAD)软件的指令，并将其转化为激光切割过程的精确运动和切割路径，激光切割过程包括几个阶段，包括材料准备、光束生成和材料去除。

在切割过程开始之前，准备好待切割的材料并将其放置在切割床或平台上，经常清洁材料表面，以确保与激光束的适当相互作用，一旦材料就位，激光束就在激光谐振腔内产生，激光介质被激发，能量被放大，导致具有特定波长的相干激光束的发射。

激光束通过光束传输系统被导向切割头，在切割头中，激光束穿过聚焦透镜，聚焦透镜缩小光束直径，形成一个高度集中的小光斑，聚焦的激光束然后被引导到材料的表面，在那里它将材料加热到它的熔点或汽化点，聚焦光束的高能量密度导致材料快速熔化或蒸发。

对于非金属材料，如塑料和木材，激光束主要引起材料熔化，相比之下，对于金属材料，激光束的高功率导致汽化，材料直接从固体转化为蒸汽。

辅助气体，如氮气或氧气，通常在切割过程中使用，以帮助从切口(切口的宽度)中去除熔化的材料，辅助气体吹走熔化的材料，确保干净和精确的切割。

CNC控制器根据CAD软件的指令精确控制切割头的移动和激光束的强度，CNC控制器遵循预编程的切割路径，引导激光束沿着需要切割的材料的形状和轮廓前进。

切口宽度或切割宽度取决于激光束的焦点尺寸、材料厚度和切割速度，考虑到材料类型、厚度和期望的边缘质量等因素，切割参数被仔细调整以获得期望的切割结果。

与传统切割方法相比，激光切割机床有几个显著优势，使其成为现代制造行业的热门选择，激光切割提供了卓越的精度和准确性，允许复杂的设计和严格的公差。

聚焦的激光束产生窄的切口宽度，从而以最少的材料浪费实现高质量切割激光切割机功能多样，可切割多种材料，包括金属、非金属和复合材料，加工各种材料的能力使它们适用于不同行业的各种应用。

激光切割是一种高速切割工艺，可实现快速生产和高效材料去除，激光切割的非接触性质减少了切割工具的磨损，从而延长了工具寿命并减少了维护。

与等离子切割或氧燃料切割等传统切割方法相比，激光切割产生有限的热影响区(HAZ)，减少的HAZ使材料变形最小化，并降低了对工件热损伤的风险。

激光切割的精度导致最少的材料浪费，使其成为一种经济高效且环保的切割方法，激光切割机可以集成到自动化生产线中，提高效率并减少劳动力需求。

激光切割机床的多功能性和精确性使其在各种行业和应用中得到广泛采用，激光切割广泛应用于金属制造中，用于切割各种金属的复杂形状和轮廓，包括钢、铝和铜。

航空航天工业依靠激光切割来精确切割飞机部件和零件，包括机身、机翼和发动机组件，在汽车工业中，激光切割被用于切割金属板部件、框架部件和其他汽车部件。

激光切割在电子和半导体工业中用于p激光切割在电子和半导体工业中用于印刷电路板(PCB)、微电子和半导体晶片的精确切割，激光切割机用于在各种材料上创建复杂的设计和文字，用于标牌、广告和建筑应用。

医疗器械行业依靠激光切割来生产医疗器械、植入物和手术设备的精密部件，激光切割机在纺织和服装行业用于切割织物和材料，实现精确的图案和设计。

激光切割用于建筑和室内设计，在金属、木材和丙烯酸材料上创造复杂的装饰图案，激光切割机已经改变了制造和加工行业，为各种材料提供了高度精确和高效的切割方法。

光学原理、光放大和相干光生成构成了激光切割的基础，能够产生集中且强大的激光束，通过精确控制、聚焦和材料去除的结合，激光切割机床实现了卓越的切割精度和多功能性。

激光切割的优点包括精度、通用性、效率和最少的材料浪费，使其成为从金属制造到电子制造等各种行业的重要工具，随着技术的不断进步，激光切割机无疑将在塑造制造和切割应用的未来方面发挥核心作用，促进各行业的进一步进步和创新。

激光切割机床已经成为现代制造和加工行业中最通用和最精确的工具之一，他们以极高的精度和速度切割各种材料的能力已经彻底改变了许多行业。

从金属加工和汽车制造到电子和航空航天，激光切割机在不同行业都有广泛的应用，激光切割机床最重要的应用场景之一是金属加工，激光切割在这一领域提供了许多优势，使其成为切割各种金属(包括钢、铝和铜)的流行选择。

激光切割机广泛用于切割金属板中复杂的形状和轮廓，激光切割的精度和速度允许快速生产用于汽车、航空航天和建筑等行业的零部件， 激光切割机为金属艺术和雕塑开辟了新的可能性。

艺术家和设计师可以轻松地创作出错综复杂的金属艺术品，制作出令人惊叹的复杂设计，在建筑等行业，激光切割机被用于生产结构部件，包括梁、柱和支架，激光切割的精确性和可重复性确保了组件在装配过程中完美地装配在一起。

激光切割机用于制作广告和建筑应用的定制金属标牌和文字，切割精确形状和字母的能力允许生产引人注目和有吸引力的金属标牌，汽车行业已广泛采用激光切割机进行各种应用，从而改进制造工艺和提高产品质量。

激光切割机用于切割车辆的钣金零件，包括车身面板、底盘部件和发动机零件，激光切割的精度确保了车辆装配的完美配合和一致性，激光切割用于切割排气部件，如排气管和消声器，具有高精度和高效率。

激光切割机在汽车工业中用于切割各种内部部件，包括室内装饰、仪表板部件和门板，电子和半导体行业受益于激光切割机在各种生产过程中的精确性和准确性。

激光切割机用于精确切割电子设备和系统中使用的印刷电路板(PCB)，激光切割的精度确保了PCB走线和元件在组装过程中正确对齐，在半导体制造中，激光切割机用于将硅片切割成单个半导体芯片。

精细的激光束允许精确切割，确保最少的浪费和高产量，激光切割机用于切割飞机结构部件，包括机翼、机身和尾部，激光切割的高精度和高效率有助于生产轻质耐用的飞机部件。

激光切割机在切割具有复杂几何形状和严格公差的发动机部件(如涡轮叶片和燃烧室)方面发挥着至关重要的作用，医疗器械行业利用激光切割机精确制造医疗器械、植入物和手术设备中使用的组件。

激光切割机用于切割具有复杂图案和结构的支架和植入物，允许精确放置和与人体兼容，在手术器械的生产中，激光切割可确保锋利的边缘和精确的尺寸，从而生产出高质量和可靠的手术工具。

激光切割机已应用于纺织和服装行业，彻底改变了织物和材料的切割和雕刻，激光切割机用于切割各种织物，包括棉花、皮革和合成材料，用于生产服装和配饰。

激光切割机用于织物雕刻，允许设计师为纺织品添加复杂的图案和设计，在建筑和室内设计中，激光切割机为创造装饰元素和定制设计提供了独特的可能性。

激光切割机用于在金属和木制品上切割复杂的图案和设计，增强建筑和室内元素的美感，在室内设计中，激光切割被用来制作墙壁、天花板和家具的装饰面板，为空间增添一丝优雅和独特。

激光切割机还应用于包装和印刷媒体，实现精确切割和定制设计，在包装行业，激光切割机被用于创建具有复杂图案和形状的定制包装设计。

激光切割机被用来制作具有独特和复杂设计的定制请柬和贺卡，激光切割机用于制造工业垫圈和密封件，确保密封应用的精度和可靠性， 激光切割机用于珠宝和配饰的生产，能够在贵金属和宝石上实现复杂而细致的设计。

激光切割机应用于医疗器械行业，用于切割医疗器械、植入物和手术设备中使用的精密部件，激光切割机床用于教育机构和研究机构，用于各种教育和研究目的，包括原型制作、科学实验和材料研究。

激光切割机用于定制制造和原型制作，以快速生产高精度和准确度的原型和一次性零件，在机器人和自动化领域，激光切割机被集成到机器人系统中，用于自动化切割和材料处理过程。

激光切割机床的应用场景多种多样，跨越多个行业，展示了这一先进技术的多功能性和重要性，从金属制造和汽车制造到电子和航空航天，激光切割机彻底改变了生产流程，实现了精确、高效和创新。

以极高的精度和速度切割各种材料的能力使激光切割成为现代制造和加工中的关键工具，随着技术的不断进步，激光切割机床无疑会找到新的应用领域，拓展各行业的应用范围，塑造制造业的未来，促进工业生产和设计的进一步发展。

参考文献

【1】《激光焊接与切割质量控制》陈武柱机械工业出版社2010年

【2】《先进制造技术与应用前沿：激光切割技术》叶建斌上海科学技术出版社2012年7月1日

【3】《激光焊接/切割/熔覆技术（第3版）》李亚江化学工业出版社2019年10月