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激光切割的原理和方法

2024-07-19

  激光束聚焦成很小的光斑(其最小直徑可小于0.1mm),使光斑處達到很高的功率密度,光斑下材料很快被加熱至氣化溫度,蒸發(fā)形成孔洞,追著光速與材料相對移動,使孔洞連續(xù),形成寬度很窄的切縫。

  速度快,切口光滑平整,一般無需后續(xù)加工;切割熱影響區(qū)小,板材變形小,切縫窄(0.1mm~0.3mm);切口沒有機械應(yīng)力,星空體育登錄無剪切毛刺;加工精度高,重復(fù)性好,不損傷材料表面;數(shù)控編程,可加工任意的平面圖,可以對幅面很大的整板切割,無需開模具,經(jīng)濟省時。激光可切割的材料很多,包括有機玻璃、木板、塑料等非金屬板材,以及不銹鋼、碳鋼、合金鋼、鋁板等多種金屬材料。脈沖激光適用于金屬材料,連續(xù)激光適用于非金屬材料,后者是激光切割技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

  在激光熔化切割中,工件被局部熔化后借助氣流把熔化的材料噴射出去。因為材料的轉(zhuǎn)移只發(fā)生在其液態(tài)情況下,所以該過程被稱作激光熔化切割。

  激光光束配上高純惰性切割氣體促使熔化的材料離開割縫,而氣體本身不參。于切割。激光熔化切割可以得到比氣化切割更高的切割速度。氣化所需的能量通常高于把材料熔化所需的能量。在激光熔化切割中,激光光束只被部分吸收。最大切割速度隨著激光功率的增加而增加,隨著板材厚度的增加和材料熔化溫度的增加而幾乎反比例地減小。在激光功率一定的情況下,限制因數(shù)就是割縫處的氣壓和材料的熱傳導(dǎo)率。激光熔化切割對于鐵制材料和鈦金屬可以得到無氧化切口。產(chǎn)生熔化但不到氣化的激光功率密度,對于鋼材料來說,在104W/cm2~105W/cm2之間。

  在激光氣化切割過程中,材料表面溫度升至沸點溫度的速度是如此之快,足以避免熱傳導(dǎo)造成的熔化,于是部分材料汽化成蒸汽消失,部分材料作為噴出物從切縫底部被輔助氣體流吹走。此情況下需要非常高的激光功率。為了防止材料蒸氣冷凝到割縫壁上,材料的厚度一定不要大大超過激光光束的直徑。該加工因而只適合于應(yīng)用在必須避免有熔化材料排除的情況下。該加工實際上只用于鐵基合金很小的使用領(lǐng)域。

激光切割的原理和方法(圖1)

  該加工不能用于,像木材和某些陶瓷等,那些沒有熔化狀態(tài)因而不太可能讓材料蒸氣再凝結(jié)的材料。另外,這些材料通常要達到更厚的切口。在激光氣化切割中,最優(yōu)光束聚焦取決于材料厚度和光束質(zhì)量。激光功率和氣化熱對最優(yōu)焦點位置只有一定的影響。在板材厚度一定的情況下,最大切割速度反比于材料的氣化溫度。所需的激光功率密度要大于108W/cm2,并且取決于材料、切割深度和光束焦點位置。在板材厚度一定的情況下,假設(shè)有足夠的激光功率,最大切割速度受到氣體射流速度的限制。

  對于容易受熱破壞的脆性材料,通過激光束加熱進行高速、可控的切斷,稱為控制斷裂切割。這種切割過程主要內(nèi)容是:激光束加熱脆性材料小塊區(qū)域,引起該區(qū)域大的熱梯度和嚴重的機械變形,導(dǎo)致材料形成裂縫。只要保持均衡的加熱梯度,激光束可引導(dǎo)裂縫在任何需要的方向產(chǎn)生。

  熔化切割一般使用惰性氣體,如果代之以氧氣或其它活性氣體,星空體育登錄材料在激光束的照射下被點燃,與氧氣發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生另一熱源,使材料進-步加熱,星空體育登錄稱為氧化熔化切割。由于此效應(yīng),對于相同厚度的結(jié)構(gòu)鋼,采用該方法可得到的切割速率比熔化切割要高。另一方面,該方法和熔化切割相比可能切口質(zhì)量更差。實際上它