一、激光切割機的原理

激光是一(yi)種光，與(yu)其他自然光一(yi)樣(yang)，是由原子(分子或離子等)躍遷產生(sheng)的(de)(de)。 但(dan)它與普(pu)通光不(bu)同是激(ji)光僅在(zai)最(zui)初極(ji)短的(de)(de)時間內依賴(lai)于自發(fa)輻(fu)射，此后(hou)的(de)(de)過程完全由激(ji)輻(fu)射決定(ding)，因此激(ji)光具有非常純(chun)正(zheng)的(de)(de)顏色，幾乎無發(fa)散的(de)(de)方(fang)向性、極(ji)高的(de)(de)發(fa)光強度和高相(xiang)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)(de)控制下，通過(guo)脈(mo)沖(chong)使激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器放電(dian)，從(cong)而輸出受(shou)控的(de)(de)重復高頻(pin)率的(de)(de)脈(mo)沖(chong)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)，形(xing)成(cheng)(cheng)一(yi)定頻(pin)率，一(yi)定脈(mo)寬的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)，該脈(mo)沖(chong)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)經(jing)過(guo)光(guang)(guang)(guang)(guang)路(lu)傳導及反射(she)并通過(guo)聚焦(jiao)(jiao)(jiao)透鏡組聚焦(jiao)(jiao)(jiao)在(zai)(zai)加(jia)工(gong)物(wu)體(ti)的(de)(de)表面上，形(xing)成(cheng)(cheng)一(yi)個個細(xi)微(wei)的(de)(de)、高能量密(mi)度光(guang)(guang)(guang)(guang)斑(ban)，焦(jiao)(jiao)(jiao)斑(ban)位(wei)于待加(jia)工(gong)面附近，以瞬(shun)間高溫(wen)熔化或氣化被加(jia)工(gong)材料。每一(yi)個高能量的(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)脈(mo)沖(chong)瞬(shun)間就把物(wu)體(ti)表面濺射(she)出一(yi)個細(xi)小的(de)(de)孔(kong)，在(zai)(zai)計(ji)算(suan)機控制下，激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)加(jia)工(gong)頭與被加(jia)工(gong)材料按預先繪(hui)好的(de)(de)圖形(xing)進行連續(xu)相對運動打(da)點，這樣就會(hui)把物(wu)體(ti)加(jia)工(gong)成(cheng)(cheng)想要的(de)(de)形(xing)狀。

切縫時的工藝參數(切(qie)割(ge)速度，激光器功率(lv)，氣體(ti)壓(ya)力等)及(ji)運(yun)動(dong)軌跡均由數控(kong)系(xi)統控(kong)制，割縫處(chu)的熔渣被一定壓力的輔助氣(qi)體(ti)吹除。

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二、激光切割機的主要工藝

1、汽化切割?

在(zai)激光(guang)氣化切割(ge)過(guo)程中，材(cai)料(liao)表面溫度(du)升(sheng)至沸(fei)點溫度(du)的速度(du)是如此(ci)之快(kuai)，足以避免熱(re)傳導造成的熔化，于是部分材(cai)料(liao)汽化成蒸汽消失，部分材(cai)料(liao)作(zuo)為(wei)噴出物從切縫(feng)底部被輔助氣體流吹走。此(ci)情況下(xia)需要非常(chang)高的激光(guang)功率。

為了防止(zhi)材(cai)(cai)料(liao)蒸氣冷(leng)凝到割縫壁(bi)上，材(cai)(cai)料(liao)的(de)厚度一定不(bu)要大大超過激光光束的(de)直徑。該加工(gong)因而只適合(he)于應(ying)用在(zai)必須避免有熔化(hua)材(cai)(cai)料(liao)排除的(de)情況下(xia)。該加工(gong)實際上只用于鐵基合(he)金很小的(de)使用領(ling)域。

該加工不能(neng)用于(yu)，像(xiang)木(mu)材(cai)和某些(xie)(xie)陶瓷等(deng)，那些(xie)(xie)沒有熔化(hua)狀(zhuang)態(tai)因而不太可(ke)能(neng)讓材(cai)料蒸氣(qi)再凝結的材(cai)料。另外，這(zhe)些(xie)(xie)材(cai)料通(tong)常要(yao)達到更厚的切(qie)口。在激光(guang)(guang)(guang)氣(qi)化(hua)切(qie)割中，最優光(guang)(guang)(guang)束聚焦(jiao)取決于(yu)材(cai)料厚度(du)(du)和光(guang)(guang)(guang)束質量。激光(guang)(guang)(guang)功率和氣(qi)化(hua)熱對最優焦(jiao)點位置只有一(yi)定的影(ying)響。在板材(cai)厚度(du)(du)一(yi)定的情況下(xia)，最大(da)切(qie)割速(su)度(du)(du)反比于(yu)材(cai)料的氣(qi)化(hua)溫(wen)度(du)(du)。所需的激光(guang)(guang)(guang)功率密度(du)(du)要(yao)大(da)于(yu)108W/cm2，并且取決(jue)于材(cai)料(liao)、切(qie)割(ge)深(shen)度(du)(du)和光(guang)束焦點(dian)位(wei)置(zhi)。在(zai)板材(cai)厚度(du)(du)一(yi)定的(de)情(qing)況下，假設有足(zu)夠的(de)激光(guang)功率(lv)，最大切(qie)割(ge)速度(du)(du)受到(dao)氣(qi)體射流速度(du)(du)的(de)限制(zhi)。

2、熔化切割

在(zai)激光熔化切割中，工(gong)件被局部(bu)熔化后借(jie)助氣流把熔化的材料(liao)噴(pen)射出去。因為材料(liao)的轉移只發(fa)生(sheng)在(zai)其液(ye)態情況(kuang)下(xia)，所以該過程被稱作激光熔化切割。

激(ji)(ji)光(guang)光(guang)束(shu)配(pei)上高(gao)純惰性切(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)氣(qi)體促使熔(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)材(cai)料(liao)離開(kai)割(ge)(ge)縫，而氣(qi)體本(ben)身不(bu)參于(yu)(yu)(yu)切(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)。激(ji)(ji)光(guang)熔(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)可以得(de)到比氣(qi)化(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)更高(gao)的(de)(de)(de)切(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)速(su)度(du)。氣(qi)化(hua)(hua)(hua)所(suo)需的(de)(de)(de)能量通(tong)常高(gao)于(yu)(yu)(yu)把材(cai)料(liao)熔(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)所(suo)需的(de)(de)(de)能量。在(zai)(zai)激(ji)(ji)光(guang)熔(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)中，激(ji)(ji)光(guang)光(guang)束(shu)只(zhi)被部分(fen)吸(xi)收。最大切(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)速(su)度(du)隨著激(ji)(ji)光(guang)功率(lv)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)而增(zeng)加(jia)(jia)，隨著板材(cai)厚度(du)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)和(he)(he)材(cai)料(liao)熔(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)溫度(du)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)(jia)而幾乎(hu)反(fan)比例地減(jian)小。在(zai)(zai)激(ji)(ji)光(guang)功率(lv)一定的(de)(de)(de)情況下，限制(zhi)因數就是割(ge)(ge)縫處的(de)(de)(de)氣(qi)壓和(he)(he)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)熱傳導(dao)率(lv)。激(ji)(ji)光(guang)熔(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)對(dui)于(yu)(yu)(yu)鐵制(zhi)材(cai)料(liao)和(he)(he)鈦金屬可以得(de)到無氧化(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)(qie)口。產生熔(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)但(dan)不(bu)到氣(qi)化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)功率(lv)密度(du)，對(dui)于(yu)(yu)(yu)鋼材(cai)料(liao)來說，在(zai)(zai)104W/cm2～105 W/cm2之間。

3、氧化熔化切割

熔(rong)化(hua)切割一般(ban)使用惰性(xing)(xing)氣(qi)(qi)體，如果代之以(yi)氧氣(qi)(qi)或(huo)其它活性(xing)(xing)氣(qi)(qi)體，材料在(zai)激光束的(de)照射下被點燃(ran)，與氧氣(qi)(qi)發生(sheng)激烈的(de)化(hua)學反應而產生(sheng)另一熱源，使材料進一步加(jia)熱，稱為氧化(hua)熔(rong)化(hua)切割。

由于此效應，對于相同厚度的(de)結構鋼(gang)，采用該方(fang)(fang)法可得到的(de)切(qie)割(ge)(ge)(ge)(ge)速(su)率比熔化(hua)切(qie)割(ge)(ge)(ge)(ge)要高(gao)。另一方(fang)(fang)面，該方(fang)(fang)法和熔化(hua)切(qie)割(ge)(ge)(ge)(ge)相比可能切(qie)口質量(liang)更差。實(shi)際上它會(hui)生(sheng)成更寬的(de)割(ge)(ge)(ge)(ge)縫、明顯的(de)粗糙度、增加的(de)熱(re)影響區和更差的(de)邊(bian)緣質量(liang)。激光火焰切(qie)割(ge)(ge)(ge)(ge)在加工精密模型和尖角時是(shi)不好(hao)的(de)(有燒(shao)掉(diao)尖(jian)角的危險)。可以使用脈沖(chong)模(mo)式的(de)激光來限制熱影響，激光的(de)功率決(jue)定切(qie)割速度。在激光功率一定的(de)情(qing)況下，限制因數(shu)就是氧氣的(de)供應和(he)材(cai)料的(de)熱傳導率。

4、控制斷裂切割

對于容易受熱破壞的(de)(de)(de)脆性(xing)材料，通過激(ji)(ji)光(guang)束加熱進行高速、可控的(de)(de)(de)切(qie)(qie)斷(duan)，稱為控制斷(duan)裂(lie)切(qie)(qie)割(ge)。這種切(qie)(qie)割(ge)過程主要(yao)內容是：激(ji)(ji)光(guang)束加熱脆性(xing)材料小塊區域(yu)，引(yin)起該區域(yu)大的(de)(de)(de)熱梯度(du)和嚴重的(de)(de)(de)機械變(bian)形(xing)，導(dao)致(zhi)材料形(xing)成裂(lie)縫(feng)。只要(yao)保持均衡的(de)(de)(de)加熱梯度(du)，激(ji)(ji)光(guang)束可引(yin)導(dao)裂(lie)縫(feng)在任何需(xu)要(yao)的(de)(de)(de)方向(xiang)產生。