激光切割机的工作原理是利用高功率密度的激光束照射材料表面，使材料迅速熔化、汽化或达到燃点，同时借助与激光束同轴的高速气流（辅助气体）吹走熔融物质或残渣，从而形成切缝，实现切割的目的。

 

以下是其工作原理的详细分解：

 

1.  激光产生：

       切割机内部有一个激光器（常见的有CO2气体激光器、光纤激光器、YAG固体激光器等），它是产生高能激光束的核心部件。

       在激光器内，特定的介质（如CO2混合气体、掺杂稀土元素的光纤、晶体等）在外界能量源（如电能）的激发下，产生受激辐射，形成方向性好、单色性好、相干性好的激光。

       光纤激光器因其高效率、低维护、光束质量好等优势，在现代工业切割中占据主导地位。

 

2.  激光传输与聚焦：

       产生的激光束通过传输系统（通常是反射镜或光纤）引导到切割头。

       切割头内部装有聚焦透镜（或反射式聚焦镜）。这个透镜的作用是将原本直径较大的平行激光束聚焦成一个极小的、能量密度极高的光斑（焦点直径通常在零点几毫米）。

       聚焦后的激光功率密度可以达到惊人的程度（例如每平方厘米兆瓦级），这是实现高效切割的关键。

 

3.  材料相互作用：

       聚焦后的高能量密度激光光斑精确照射到工件表面。

       激光能量被材料吸收，在极短时间内（毫秒甚至微秒级）使照射区域的材料温度急剧升高。

       根据材料类型、激光功率和照射时间的不同，材料会发生：

           熔化： 金属材料达到熔点形成熔池。

           汽化： 部分材料直接由固态升华为气态（尤其在薄板或高功率下）。

           燃烧（氧化）： 对于氧气辅助切割的钢材，材料在高温下与氧气发生剧烈的放热化学反应（氧化），加速切割过程并帮助去除熔渣。

 

4.  熔融物去除：

       与激光束同轴喷射的辅助气体起着至关重要的作用：

           吹走熔融物和残渣： 高速气流（如氮气、氧气、压缩空气）将切割过程中产生的熔融金属液滴、氧化物残渣和蒸汽从切缝中猛烈吹除，防止其重新凝结在切口边缘或污染透镜。

           冷却： 一定程度上冷却切缝周边的热影响区。

           参与化学反应：

               氧气： 用于切割碳钢。氧气与炽热的铁发生氧化反应（4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ + 热量），产生大量热量加速切割过程，形成的氧化物熔点较低，更容易被气流吹走。切口通常有氧化层。

               氮气： 用于切割不锈钢、铝等。氮气作为惰性气体，主要起保护作用，防止切口氧化，形成光亮的无氧化切割面。需要较高压力。

               压缩空气： 成本较低，可用于切割一些非金属或要求不高的金属薄板，切割面会有些许氧化。

 

5.  相对运动形成切割：

       激光切割头（或工作台）在计算机数控系统的控制下，按照预设的切割路径（CAD图纸转换而来）进行精确的相对运动。

       激光焦点始终保持在材料表面（或内部特定位置，取决于工艺要求）。

       激光束的持续照射和切割头的移动，使这个高温熔化/汽化/燃烧并伴随熔融物被吹走的过程沿着预定轨迹连续进行，最终在材料上切出所需的形状。

       穿孔： 在开始切割轮廓前，通常需要先在材料上打一个孔。穿孔使用特定的高功率、短时间或脉冲激光参数，有时会配合不同的气体和喷嘴高度，以穿透材料而不损坏设备。

 

6.  控制系统：

       整个切割过程由精密的计算机数控系统协调控制。它负责：

           读取和处理切割路径程序。

           精确控制激光器的功率输出模式（连续波或脉冲）。

           控制切割头的移动速度和轨迹（X/Y轴）。

           控制聚焦透镜的上下移动（Z轴），以保持焦点位置。

           控制辅助气体的类型、压力和开关时机。

           监控切割过程状态。

 

总结关键点：

 

   核心： 高功率密度激光束（聚焦后）。

   作用： 使局部材料快速加热至熔化、汽化或点燃。

   辅助： 高速同轴气流吹除熔融物/残渣，并可能参与化学反应（氧气）或保护（氮气）。

   成形： CNC系统控制切割头与工件的相对运动，使“加热-去除”过程沿预定路径进行。

 

激光切割的优势：

 

   精度高，切缝窄。

   切割面质量好（光滑、垂直度好）。

   热影响区小，工件变形小。

   速度快，效率高。

   可切割复杂图形，柔性好。

   非接触式加工，无刀具磨损。

   适用材料广泛（金属、非金属）。

 

主要应用材料：

 

   金属： 碳钢、不锈钢、铝、铜、黄铜、钛合金等（光纤激光器为主）。

   非金属： 亚克力、木材、塑料、橡胶、皮革、布料、陶瓷、石材等（CO2激光器为主，部分非金属也可用光纤）。