一、激光切割機的原理

激光是一種(zhong)光，與其他(ta)自然光一樣，是由原子(分(fen)子或離子等(deng))躍遷產生的。 但它與普通光不同是激(ji)光僅在最初極(ji)(ji)短的時間內(nei)依賴于自(zi)發(fa)輻(fu)(fu)射，此后的過程完全由激(ji)輻(fu)(fu)射決定，因此激(ji)光具(ju)有非(fei)常純(chun)正的顏(yan)色，幾乎無(wu)發(fa)散的方向性、極(ji)(ji)高的發(fa)光強度和高相干性。

激光切割是應用激光聚焦后產生的高功率密度能量來實現的。在計算機的(de)控(kong)制(zhi)下，通(tong)過脈沖(chong)(chong)使(shi)激(ji)光(guang)(guang)器放電(dian)，從(cong)而(er)輸出受(shou)控(kong)的(de)重復高(gao)頻率的(de)脈沖(chong)(chong)激(ji)光(guang)(guang)，形成(cheng)一(yi)(yi)定頻率，一(yi)(yi)定脈寬的(de)光(guang)(guang)束，該脈沖(chong)(chong)激(ji)光(guang)(guang)束經(jing)過光(guang)(guang)路(lu)傳導及反射(she)并通(tong)過聚焦透(tou)鏡組聚焦在加(jia)工(gong)(gong)物(wu)體的(de)表面(mian)上，形成(cheng)一(yi)(yi)個(ge)個(ge)細微的(de)、高(gao)能(neng)量密度光(guang)(guang)斑，焦斑位于(yu)待加(jia)工(gong)(gong)面(mian)附近，以瞬間高(gao)溫熔化或氣化被(bei)加(jia)工(gong)(gong)材(cai)料。每一(yi)(yi)個(ge)高(gao)能(neng)量的(de)激(ji)光(guang)(guang)脈沖(chong)(chong)瞬間就把物(wu)體表面(mian)濺(jian)射(she)出一(yi)(yi)個(ge)細小的(de)孔，在計算(suan)機控(kong)制(zhi)下，激(ji)光(guang)(guang)加(jia)工(gong)(gong)頭(tou)與被(bei)加(jia)工(gong)(gong)材(cai)料按預先繪好的(de)圖形進行(xing)連(lian)續相對運動打點，這樣就會(hui)把物(wu)體加(jia)工(gong)(gong)成(cheng)想要的(de)形狀。

切縫時的(de)工藝參(can)數(切割(ge)速(su)度，激光(guang)器功率，氣體(ti)壓力等)及運(yun)動(dong)軌跡均(jun)由(you)數控系統控制，割縫(feng)處(chu)的(de)熔渣被一定壓力的(de)輔助氣體(ti)吹(chui)除。

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二、激光切割機的主要工藝

1、汽化切割?

在激(ji)光氣化(hua)切(qie)割過程(cheng)中，材(cai)料(liao)表面溫度(du)升至沸點溫度(du)的(de)速度(du)是(shi)如此(ci)之快，足以避免熱傳導造成的(de)熔化(hua)，于是(shi)部分(fen)材(cai)料(liao)汽化(hua)成蒸汽消失，部分(fen)材(cai)料(liao)作為噴出物從切(qie)縫底部被輔助氣體(ti)流吹(chui)走。此(ci)情況下需要非常高的(de)激(ji)光功率。

為了(le)防止材料(liao)蒸氣冷凝到割縫壁上，材料(liao)的(de)厚度一定不要大(da)大(da)超過激(ji)光光束的(de)直徑。該(gai)加工(gong)因而只適合于(yu)應用(yong)在必須避(bi)免有熔化材料(liao)排除的(de)情況下。該(gai)加工(gong)實際上只用(yong)于(yu)鐵基合金很小的(de)使用(yong)領域。

該加工不能用于(yu)，像木材(cai)(cai)和某些陶(tao)瓷等，那些沒有熔(rong)化(hua)狀態因(yin)而不太可能讓材(cai)(cai)料(liao)蒸氣(qi)再凝結的材(cai)(cai)料(liao)。另(ling)外，這些材(cai)(cai)料(liao)通常要(yao)達(da)到(dao)更厚(hou)的切口。在(zai)激光(guang)氣(qi)化(hua)切割(ge)中(zhong)，最(zui)優(you)光(guang)束聚焦取決于(yu)材(cai)(cai)料(liao)厚(hou)度(du)和光(guang)束質量(liang)。激光(guang)功(gong)率和氣(qi)化(hua)熱(re)對最(zui)優(you)焦點位(wei)置(zhi)只有一(yi)定(ding)(ding)的影響。在(zai)板(ban)材(cai)(cai)厚(hou)度(du)一(yi)定(ding)(ding)的情況下(xia)，最(zui)大(da)切割(ge)速度(du)反(fan)比(bi)于(yu)材(cai)(cai)料(liao)的氣(qi)化(hua)溫度(du)。所需的激光(guang)功(gong)率密度(du)要(yao)大(da)于(yu)108W/cm2，并且取決于材料、切割深度(du)(du)和光束焦點位(wei)置。在板材厚度(du)(du)一定的情況下，假設有足夠的激光功率(lv)，最大切割速(su)度(du)(du)受到氣(qi)體射(she)流速(su)度(du)(du)的限制。

2、熔化切割

在激(ji)光(guang)熔(rong)化(hua)(hua)切割(ge)中，工件被局部熔(rong)化(hua)(hua)后借助氣流(liu)把熔(rong)化(hua)(hua)的(de)材(cai)料噴射出去。因為材(cai)料的(de)轉(zhuan)移只發生在其液(ye)態(tai)情況下(xia)，所以(yi)該過程被稱作激(ji)光(guang)熔(rong)化(hua)(hua)切割(ge)。

激(ji)(ji)光(guang)(guang)光(guang)(guang)束(shu)配(pei)上高(gao)純(chun)惰(duo)性切(qie)(qie)割氣體促使熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)材料(liao)離開割縫(feng)，而(er)氣體本身不參于(yu)切(qie)(qie)割。激(ji)(ji)光(guang)(guang)熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)割可(ke)以得(de)到比氣化(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)割更高(gao)的(de)(de)(de)切(qie)(qie)割速度(du)。氣化(hua)(hua)(hua)所需(xu)的(de)(de)(de)能量(liang)通常高(gao)于(yu)把材料(liao)熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)所需(xu)的(de)(de)(de)能量(liang)。在(zai)激(ji)(ji)光(guang)(guang)熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)割中(zhong)，激(ji)(ji)光(guang)(guang)光(guang)(guang)束(shu)只被部分吸收。最大切(qie)(qie)割速度(du)隨著激(ji)(ji)光(guang)(guang)功率(lv)(lv)的(de)(de)(de)增加(jia)(jia)而(er)增加(jia)(jia)，隨著板材厚度(du)的(de)(de)(de)增加(jia)(jia)和材料(liao)熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)溫度(du)的(de)(de)(de)增加(jia)(jia)而(er)幾乎反(fan)比例地減小。在(zai)激(ji)(ji)光(guang)(guang)功率(lv)(lv)一定的(de)(de)(de)情況下，限制因數就(jiu)是割縫(feng)處的(de)(de)(de)氣壓和材料(liao)的(de)(de)(de)熱傳導率(lv)(lv)。激(ji)(ji)光(guang)(guang)熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)割對于(yu)鐵制材料(liao)和鈦金屬可(ke)以得(de)到無氧化(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)口。產生(sheng)熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)但不到氣化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)功率(lv)(lv)密度(du)，對于(yu)鋼(gang)材料(liao)來(lai)說(shuo)，在(zai)104W/cm2～105 W/cm2之間。

3、氧化熔化切割

熔(rong)化(hua)(hua)切(qie)割(ge)一(yi)(yi)般使用(yong)惰性氣(qi)體，如果代之(zhi)以(yi)氧氣(qi)或其它活性氣(qi)體，材(cai)料在激(ji)光束的(de)照射下被點燃，與(yu)氧氣(qi)發生激(ji)烈的(de)化(hua)(hua)學(xue)反應而產(chan)生另一(yi)(yi)熱源，使材(cai)料進一(yi)(yi)步加熱，稱為氧化(hua)(hua)熔(rong)化(hua)(hua)切(qie)割(ge)。

由于(yu)此效應，對于(yu)相(xiang)同厚(hou)度(du)的(de)結構鋼，采(cai)用該方法(fa)可得到(dao)的(de)切(qie)割(ge)(ge)(ge)速率比(bi)(bi)熔化(hua)切(qie)割(ge)(ge)(ge)要(yao)高。另一(yi)方面，該方法(fa)和熔化(hua)切(qie)割(ge)(ge)(ge)相(xiang)比(bi)(bi)可能切(qie)口質量(liang)更(geng)差。實際上它會生成更(geng)寬的(de)割(ge)(ge)(ge)縫、明顯的(de)粗糙度(du)、增加(jia)的(de)熱影響區(qu)和更(geng)差的(de)邊緣質量(liang)。激(ji)光火焰(yan)切(qie)割(ge)(ge)(ge)在(zai)加(jia)工精密模(mo)型(xing)和尖角時是不好的(de)(有(you)燒(shao)掉尖角的危(wei)險(xian))。可以使用脈沖模式的(de)激(ji)光來限制熱(re)影(ying)響，激(ji)光的(de)功率(lv)(lv)決定(ding)切(qie)割速度。在激(ji)光功率(lv)(lv)一定(ding)的(de)情況下，限制因數就(jiu)是氧(yang)氣的(de)供應和材料的(de)熱(re)傳導率(lv)(lv)。

4、控制斷裂切割

對于容易受熱破壞(huai)的(de)脆性材(cai)(cai)料，通(tong)過(guo)激光(guang)(guang)束(shu)加熱進行高速、可控的(de)切(qie)斷(duan)(duan)，稱為控制斷(duan)(duan)裂切(qie)割(ge)。這(zhe)種(zhong)切(qie)割(ge)過(guo)程(cheng)主要(yao)內容是：激光(guang)(guang)束(shu)加熱脆性材(cai)(cai)料小塊區(qu)域，引起該(gai)區(qu)域大的(de)熱梯度(du)(du)和(he)嚴(yan)重的(de)機械變形(xing)，導致材(cai)(cai)料形(xing)成裂縫(feng)。只(zhi)要(yao)保持均(jun)衡(heng)的(de)加熱梯度(du)(du)，激光(guang)(guang)束(shu)可引導裂縫(feng)在任何需要(yao)的(de)方向產(chan)生(sheng)。