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解決方案
面向未來的激光切割技術
2021-01-09
激光是二十世紀最重要的發明之一，隨著科技的發展，激光技術已經應用到工業生產中的各個領域，從航空航天到船舶制造，從醫療手術到集成電路生產，從機械制造到服裝生產……不同的工業領域，激光有著不同的解決方案，激光切割、焊接、熱處理、熔覆、毛化、打標等等。其中，激光切割在工業激光應用中占的比例約為70%。激光切割以其高速度、高精度及高切口光潔度而著稱。配合以先進的數控系統及機床，使得激光在二維、三維切割中有著非常優異的表現。但是，也有很多問題在困惑著用戶，什么樣的激光技術才是最好的？什么樣的激光技術才是適合的？可以從哪些角度來考查？又有什么指標來量化呢？讓我們一起來走近激光，揭開它神秘的面紗。
第一：影響激光切割機質量的要素：激光器
激光器是激光設備的心臟，對激光切割質量起著決定性的作用。一個好的激光器，應該具備理想的模式，穩定的功率等要素。
激光器的種類很多，從不同的角度可以對它有不同的定義。從激勵的介質來區分，大致可分為固體激光器和氣體激光器，它們分別用不同的固體或氣體來作為介質，如最早的激光器就是采用紅寶石作為介質。目前用于激光切割的主流激光器為二氧化碳激光器，其次是YAG激光器。YAG激光器有著光電轉換效率高，體積小的特點，但是由于其能量泵浦源的損耗快，維護成本高等因素使其應用受到很大限制。而采用二氧化碳激光器，比較容易獲得理想的激光模式和較高能量，加之性能穩定，停機時間短，從而被廣泛應用于各種材料的切割。
二氧化碳激光器中，以氣體流動方向和激光諧振輸出方向等因素組合，又分為軸流和橫流激光器，從設計角度看，軸快流激光器比較容易獲得激光理想的模式—TEM00模或TEM01模，所以，目前國際上主流的激光切割機床都采用軸快流二氧化碳激光器。我們在這個基礎上來探討激光影響切割的要素。
一：激光模式。是衡量激光質量最重要的指標之一。可分為單模，基模和多模。基模既TEM00模，它在X和Y軸上的指數均為0，所以是一個理想的圓點。采用TEM00模的激光可以獲得最小的光束直徑，在切割加工中因其光斑小而獲得最小的切縫及更快的切割速度。而多模更是在XY方向上均為非0指數，其光束質量較差，一般只用于焊接而不用于切割。
二：激光頻率。激光輸出分脈沖輸出和連續輸出，用于切割和焊接的激光主要采用脈沖輸出方式，脈沖頻率主要影響切割的速度和切口粗糙度，要獲得高速切割，高頻率是必不可少的。目前大多數廠家生產的二氧化碳激光器頻率都在5000Hz以內。
三：激勵模式。二氧化碳激光器是采用電極激勵二氧化碳氣體而產生激光，按照金屬電極的安裝位置可分為直流激勵和射頻激勵。直流激勵既正負電極都在激光管內，電極和二氧化碳氣體直接接觸，而電極距離長，工作時必須使用高電壓（瞬間電壓高達20KV），導致電極產生燒蝕損耗。設備的維護頻率及費用都比較高。國際上大型的激光器生產廠主要采用射頻激勵模式，其金屬電極在管外，不與二氧化碳氣體接觸，非常好地保護了電極。
四：激光功率。包括峰值功率，能量穩定性等要素。不同功率在金屬板材的切割中可切穿的厚度不同，以4KW激光器為例，它可切割20mm厚的碳鋼板，或15mm不銹鋼，10mm鋁合金；而5KW以上的激光器可以切割25mm厚的碳鋼，不銹鋼可達20mm。
提高功率始終是激光研究一個話題，每個生產商都在努力提高工藝設計的水平，提高激光功率，以獲得更廣闊的加工空間。
功率的另一個指標是功率穩定性，優秀的切割質量，必須是優秀的切口貫穿始終。長期生產對激光器也是一個非常重要的考驗。直流激勵激光器由于電極燒蝕，導致在長期工作狀態下功率衰減。另外，由于有的激光器的真空泵和渦*泵采用潤滑油進行潤滑，導致潤滑油污染激光諧振腔，而減短了激光器壽命。
五：光束發散角。從嚴格的角度來講，光束發散角不屬于激光器部分的內容，但是因為激光器的模式對遠場發散角影響很大，所以我們把它放在這里一起討論。光束發散角對切割質量的影響體現在切口的寬度和坡度上，越小的發散角切口寬度越窄，坡度越小，因而質量越高。
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