面向未来的激光切割技术

2008/8/19/10:48 来源：中国金属加工在线

    激光是二十世纪最重要的发明之一，随着科技的发展，激光技术已经应用到工业生产中的各个领域，从航空航天到船舶制造，从医疗手术到集成电路生产，从机械制造到服装生产……不同的工业领域，激光有着不同的解决方案，激光切割、焊接、热处理、熔覆、毛化、打标等等。  
其中，激光切割在工业激光应用中占的比例约为70%（主要为金属板材的切割）。 

    激光切割以其高速度、高精度及高切口光洁度而著称。配合以先进的数控系统及机床，使得激光在二维、三维切割中有着非常优异的表现。 
但是，也有很多问题在困惑着用户，什么样的激光技术才是最好的？什么样的激光技术才是适合的？可以从哪些角度来考查？又有什么指标来量化呢？让我们一起来走近激光，揭开它神秘的面纱。 

    第一：影响激光切割质量的要素——光学篇 

    激光器是激光设备的心脏，对激光切割质量起着决定性的作用。一个好的激光器，应该具备理想的模式，稳定的功率等要素。 

    激光器的种类很多，从不同的角度可以对它有不同的定义。从激励的介质来区分，大致可分为固体激光器和气体激光器，它们分别用不同的固体或气体来作为介质，如最早的激光器就是采用红宝石作为介质。目前用于激光切割的主流激光器为二氧化碳激光器，其次是YAG激光器。YAG激光器有着光电转换效率高，体积小的特点，但是由于其能量泵浦源的损耗快，维护成本高等因素使其应用受到很大限制。而采用二氧化碳激光器，比较容易获得理想的激光模式和较高能量，加之性能稳定，停机时间短，从而被广泛应用于各种材料的切割。 

    二氧化碳激光器中，以气体流动方向和激光谐振输出方向等因素组合，又分为轴流和横流激光器，从设计角度看，轴快流激光器比较容易获得激光理想的模式—TEM00模或TEM01模，所以，目前国际上主流的切割机床都采用轴快流二氧化碳激光器。我们在这个基础上来探讨激光影响切割的要素。 

    一：激光模式。是衡量激光质量最重要的指标之一。可分为单模，基模和多模。基模既TEM00模，它在X和Y轴上的指数均为0，所以是一个理想的圆点，它的单脉冲立体图形如下： 

    采用TEM00模的激光可以获得最小的光束直径，在切割加工中因其光斑小而获得最小的切缝及更快的切割速度。 

    基模的图形如下： 
  
    而多模更是在XY方向上均为非0指数，其光束质量较差，一般只用与焊接而不用与切割。 

    二：激光频率。激光输出分脉冲输出和连续输出，用于切割和焊接的激光主要采用脉冲输出方式，脉冲频率主要影响切割的速度和切口粗糙度，要获得高速切割，高频率是必不可少的。目前大多数厂家生产的二氧化碳激光器频率都在5000Hz以内。 

    三：激励模式。二氧化碳激光器是采用电极激励二氧化碳气体而产生激光，按照金属电极的安装位置可分为直流激励和射频激励。直流激励既正负电极都在激光管内，电极和二氧化碳气体直接接触，而电极距离长，工作时必须使用高电压（瞬间电压高达20KV），导致电极产生烧蚀损耗。设备的维护频率及费用都比较高。而国际上三大激光器生产厂：德国TRUMPF（通快）、德国ROFIN及美国PRC公司主要采用的射频激励模式，其金属电极在管外，不与二氧化碳气体接触，非常好地保护了电极。

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