光切割（通常指激光切割）的原理、结构和“算法”。

　　一、原理

　　激光切割的原理本质上是一个“光-热”物理过程：利用经聚焦后的高能量密度激光束照射工件，使被照射处的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到点燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质或辅助燃烧，从而实现割开工件。

　　根据加工材料的特性，其具体物理原理可分为以下几类：

　　切割机制

　　适用材料

　　原理简述

　　熔化切割

　　大多数金属

　　激光束加热材料至熔点，形成熔融层，同轴高压辅助气体（如N₂， Ar）将熔融物从切缝中吹走。热传导是主要机制。

　　氧化熔化切割

　　碳钢、钛合金等

　　使用氧气作为辅助气体。激光加热材料至燃点，在氧气的助燃下发生剧烈放热化学反应（氧化反应），产生大量热量进一步熔化材料，同时气流将熔渣吹走。此过程效率更高。

　　汽化切割

　　极薄材料、非金属

　　高能量激光束使材料表面温度急剧上升，在极短时间内跳过熔化阶段直接汽化，蒸汽压力将材料排除。

　　控制断裂切割

　　脆性材料（如玻璃）

　　激光束加热小区域，产生高的热梯度，导致巨大的机械应力，使材料沿预定路径整齐地裂开。

　　升华切割

　　有机材料、木材、皮革

　　激光能量使材料分子键直接断裂，从固态直接变为气态，完成切割。切边光滑且无熔渣。

　　核心要点：无论哪种机制，都依赖于将激光能量高效地耦合到材料中，并有效地移除材料。

　　二、结构

　　一台典型的工业激光切割系统是一个集成了光、机、电、气的复杂系统。其核心结构组成与工作流程如下图所示：

　　mime

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　　flowchart TD

　　A[激光器

　　产生激光]--> B[光束传输系统

　　导光与调整]

　　B --> C[聚焦系统

　　聚焦镜/透镜]

　　C --> D[切割头

　　集成气体与传感]

　　D --> E[工件]

　　F[数控系统

　　大脑]--> G[运动控制系统

　　X-Y-Z轴]

　　F --> H[辅助气体控制系统]

　　F --> I[激光器功率控制]

　　G --> D

　　H --> D

　　I --> A

　　激光发生器

　　功能：系统的“心脏”，负责产生切割所需的激光。

　　类型：

　　CO₂激光器：气体激光器，波长10.6μm，适用于非金属和大多数金属，但光电转换效率较低。

　　光纤激光器：当前主流。光纤作为增益介质，波长1.06μm。光电转换效率极高（>30%），光束质量好，维护简单，特别擅长切割金属。

　　Nd:YAG激光器：固体激光器，波长1.06μm，可用于脉冲切割。

　　光束传输系统

　　功能：将激光从发生器引导至切割头。

　　组成：对于CO₂激光器，需要使用反射镜进行导光。对于光纤激光器，激光直接在柔性光纤中传输，无需复杂的光路校准，结构更紧凑。

　　聚焦系统

　　功能：将平行的激光束通过聚焦镜（透镜）汇聚成一个极小的、能量密度极高的光斑。这是实现精密切割的关键。

　　焦距：聚焦镜的焦距决定了焦点大小和焦深，需根据材料和厚度选择。

　　切割头

　　功能：系统的“执行终端”，集成了多种功能。

　　组成：

　　喷嘴：引导辅助气体，使其高速、同轴地吹向切割区域。

　　聚焦镜筒：安装聚焦透镜。

　　电容式高度传感器：实时监测喷嘴与工件表面的距离，并反馈给控制系统以保持恒定的聚焦距离，这对切割质量至关重要。

　　水冷系统：为切割头降温。

　　数控系统与运动系统

　　数控系统：系统的“大脑”，接收CAD图纸数据（如DXF文件），将其转换为机器运动指令（G代码）。

　　运动系统：执行数控指令，驱动切割头或工作台按预定轨迹运动。常见结构有：

　　龙门式：切割头在X、Y方向移动，工件静止。刚性好，适用于大尺寸板材。

　　机器人手臂：用于三维立体切割，如汽车零部件。

　　辅助气体系统

　　功能：提供切割所需的气体。

　　气体类型：

　　活性气体：氧气，用于氧化熔化切割，提供额外热能。

　　惰性气体：氮气、氩气，用于熔化切割，防止氧化，获得清洁、无氧化层的切缝。

　　组成：气瓶/空压机、减压阀、电磁阀、气压调节器。

　　三、“算法”

　　在激光切割中，“算法”并非指单一的数学公式，而是指数控系统中用于优化切割路径、质量和效率的一系列控制逻辑和策略。

　　路径规划算法

　　任务：将CAD图形转换为机器运动的最优路径。

　　内容：

　　引线设置：切割路径不能直接从板材边缘开始，需要一条从板材外部引入的“引线”，以防止起始点产生过烧。

　　切割顺序优化：确定先切哪个零件，后切哪个零件，以最小化空程移动时间、防止板材局部过热变形、并保证切割过程中板材的刚性。

　　共边切割：相邻零件使用同一条切割线，节省材料和时间。

　　工艺参数数据库与自适应控制

　　任务：为不同材料、不同厚度自动匹配最优的切割参数。

　　“算法”内容：

　　参数库：一个庞大的数据库，存储了针对材料类型、厚度所对应的激光功率、切割速度、气压、焦点位置等最佳参数组合。操作员只需选择材料，系统自动调用参数。

　　自适应控制：高级系统配备实时监测传感器（如声学、光学传感器），通过算法分析切割过程中的等离子体、火花等信号，实时微调功率或速度，以补偿材料表面不平、锈蚀等变化，保证切割质量一致性。

　　焦点控制算法

　　任务：始终保持焦点相对于工件表面的位置处于最佳状态。

　　实现：基于电容传感器的信号，通过闭环控制算法（如PID算法）动态调整切割头的Z轴高度。

　　穿孔与过渡控制算法

　　任务：控制穿透材料的“穿孔”过程。

　　内容：穿孔需要高功率、低速度甚至停顿，但长时间停留会烧坏喷嘴和材料。算法需要控制采用渐进式穿孔还是爆破穿孔，以及精确的穿孔时间。在从一个切割轮廓移动到另一个轮廓时，算法会控制激光关闭（只留低功率的“跳转光”）以节省能量。

　　总结

　　原理：核心是高能量激光与材料相互作用的热物理过程，根据不同材料选择熔化、氧化或汽化等机制。

　　结构：一个由激光器、传输系统、聚焦系统、切割头、数控运动平台和供气系统组成的精密机电光一体化系统。

　　算法：是嵌入在数控系统中的智能决策逻辑，包括路径规划、工艺参数优化、自适应控制和焦点跟踪等，旨在最大化切割效率、质量和材料利用率。

　　现代激光切割机正是将这三大要素完美融合，才实现了高精度、高效率和高自动化的现代加工。