一、激光切割機的原理

激(ji)光(guang)(guang)是一種光(guang)(guang)，與其(qi)他自(zi)然光(guang)(guang)一樣，是由原子(分(fen)子或離子等)躍遷(qian)產生(sheng)的(de)。 但它與普通光(guang)(guang)不同(tong)是激光(guang)(guang)僅(jin)在最初極(ji)短(duan)的(de)時間內依賴于自發(fa)輻(fu)射，此后的(de)過(guo)程完全(quan)由激輻(fu)射決(jue)定，因此激光(guang)(guang)具(ju)有非常(chang)純正的(de)顏色，幾(ji)乎無發(fa)散的(de)方(fang)向性(xing)(xing)、極(ji)高的(de)發(fa)光(guang)(guang)強(qiang)度和高相干(gan)性(xing)(xing)。

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。在計算機的控(kong)(kong)制(zhi)下(xia)，通過(guo)脈沖使激(ji)光器放電，從而輸出受控(kong)(kong)的重(zhong)復高(gao)(gao)頻率的脈沖激(ji)光，形(xing)(xing)成(cheng)一(yi)定(ding)(ding)頻率，一(yi)定(ding)(ding)脈寬的光束，該脈沖激(ji)光束經過(guo)光路傳(chuan)導及反射并通過(guo)聚(ju)焦透鏡組聚(ju)焦在加(jia)工物體(ti)的表(biao)(biao)面(mian)上，形(xing)(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)(ge)(ge)個(ge)(ge)(ge)細微的、高(gao)(gao)能量(liang)密度(du)光斑(ban)(ban)，焦斑(ban)(ban)位于待加(jia)工面(mian)附近(jin)，以瞬間高(gao)(gao)溫熔化或氣化被(bei)加(jia)工材料。每一(yi)個(ge)(ge)(ge)高(gao)(gao)能量(liang)的激(ji)光脈沖瞬間就把物體(ti)表(biao)(biao)面(mian)濺射出一(yi)個(ge)(ge)(ge)細小的孔，在計算機控(kong)(kong)制(zhi)下(xia)，激(ji)光加(jia)工頭(tou)與被(bei)加(jia)工材料按(an)預(yu)先繪(hui)好的圖形(xing)(xing)進行連續(xu)相對運(yun)動(dong)打點，這樣就會把物體(ti)加(jia)工成(cheng)想要的形(xing)(xing)狀。

切縫(feng)時的工藝(yi)參數(切割(ge)速度，激光器功(gong)率，氣(qi)體(ti)壓力等)及運動軌跡(ji)均由數(shu)控系統控制，割縫(feng)處的熔渣被一(yi)定(ding)壓(ya)力的輔(fu)助氣體吹除。

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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(qi)化切(qie)(qie)割過(guo)程(cheng)中，材(cai)料表面溫(wen)度(du)升至沸點溫(wen)度(du)的(de)速度(du)是如此(ci)之快(kuai)，足以避免熱傳導造成的(de)熔化，于是部(bu)分(fen)材(cai)料汽化成蒸汽消失，部(bu)分(fen)材(cai)料作(zuo)為噴出物(wu)從切(qie)(qie)縫(feng)底部(bu)被輔助氣(qi)體流吹走。此(ci)情況(kuang)下需要非常高的(de)激(ji)光功率。

為(wei)了防止材料蒸氣冷凝到割(ge)縫壁上(shang)，材料的厚度一定不(bu)要大(da)大(da)超過激光(guang)光(guang)束的直徑。該加工(gong)因而只適合(he)于應用在必須避免有(you)熔化材料排除的情況下(xia)。該加工(gong)實(shi)際(ji)上(shang)只用于鐵基合(he)金很小的使用領域。

該(gai)加工不能(neng)用于，像(xiang)木材(cai)(cai)和某(mou)些(xie)陶(tao)瓷等，那些(xie)沒有熔化(hua)狀態(tai)因而不太可能(neng)讓材(cai)(cai)料(liao)蒸氣再凝(ning)結的材(cai)(cai)料(liao)。另外，這些(xie)材(cai)(cai)料(liao)通常(chang)要達(da)到更厚(hou)的切(qie)口。在(zai)激(ji)光(guang)氣化(hua)切(qie)割(ge)(ge)中，最優光(guang)束聚焦取決于材(cai)(cai)料(liao)厚(hou)度(du)和光(guang)束質量。激(ji)光(guang)功(gong)率和氣化(hua)熱對最優焦點(dian)位置只有一定的影響。在(zai)板材(cai)(cai)厚(hou)度(du)一定的情況(kuang)下，最大切(qie)割(ge)(ge)速(su)度(du)反比于材(cai)(cai)料(liao)的氣化(hua)溫(wen)度(du)。所需的激(ji)光(guang)功(gong)率密度(du)要大于108W/cm2，并(bing)且取決于材(cai)料、切割(ge)深度(du)(du)和光束焦點位(wei)置。在板材(cai)厚度(du)(du)一定的情(qing)況下，假設有足(zu)夠(gou)的激(ji)光功(gong)率，最大切割(ge)速度(du)(du)受到氣體射流速度(du)(du)的限制。

2、熔化切割

在激(ji)光熔化切割(ge)中，工件被(bei)局部熔化后借助氣流把熔化的(de)材料噴射出去(qu)。因為材料的(de)轉移只發生在其液態情況下(xia)，所以(yi)該過程(cheng)被(bei)稱作激(ji)光熔化切割(ge)。

激(ji)(ji)光(guang)(guang)光(guang)(guang)束配(pei)上高(gao)(gao)純惰性切割(ge)(ge)(ge)氣(qi)(qi)體促(cu)使(shi)熔化(hua)的(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)離開割(ge)(ge)(ge)縫，而氣(qi)(qi)體本身不(bu)參于切割(ge)(ge)(ge)。激(ji)(ji)光(guang)(guang)熔化(hua)切割(ge)(ge)(ge)可以(yi)得(de)到(dao)比氣(qi)(qi)化(hua)切割(ge)(ge)(ge)更高(gao)(gao)的(de)(de)切割(ge)(ge)(ge)速(su)度(du)。氣(qi)(qi)化(hua)所需的(de)(de)能量通常高(gao)(gao)于把材(cai)(cai)料(liao)熔化(hua)所需的(de)(de)能量。在激(ji)(ji)光(guang)(guang)熔化(hua)切割(ge)(ge)(ge)中(zhong)，激(ji)(ji)光(guang)(guang)光(guang)(guang)束只被部分吸(xi)收。最大(da)切割(ge)(ge)(ge)速(su)度(du)隨著激(ji)(ji)光(guang)(guang)功率的(de)(de)增(zeng)加(jia)而增(zeng)加(jia)，隨著板材(cai)(cai)厚度(du)的(de)(de)增(zeng)加(jia)和(he)材(cai)(cai)料(liao)熔化(hua)溫度(du)的(de)(de)增(zeng)加(jia)而幾乎反(fan)比例地減小(xiao)。在激(ji)(ji)光(guang)(guang)功率一定的(de)(de)情況下，限制(zhi)因數就是割(ge)(ge)(ge)縫處的(de)(de)氣(qi)(qi)壓和(he)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)熱傳導(dao)率。激(ji)(ji)光(guang)(guang)熔化(hua)切割(ge)(ge)(ge)對于鐵(tie)制(zhi)材(cai)(cai)料(liao)和(he)鈦(tai)金(jin)屬可以(yi)得(de)到(dao)無氧化(hua)切口。產(chan)生熔化(hua)但不(bu)到(dao)氣(qi)(qi)化(hua)的(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)功率密度(du)，對于鋼(gang)材(cai)(cai)料(liao)來(lai)說，在104W/cm2～105 W/cm2之(zhi)間。

3、氧化熔化切割

熔化切(qie)割(ge)一(yi)(yi)般使用惰(duo)性氣(qi)(qi)體(ti)，如果代之以(yi)氧氣(qi)(qi)或(huo)其(qi)它活性氣(qi)(qi)體(ti)，材(cai)料在(zai)激(ji)光束的(de)照射下(xia)被(bei)點燃，與氧氣(qi)(qi)發(fa)生激(ji)烈的(de)化學反應而產生另一(yi)(yi)熱源，使材(cai)料進一(yi)(yi)步(bu)加熱，稱為(wei)氧化熔化切(qie)割(ge)。

由于(yu)此效(xiao)應，對(dui)于(yu)相同厚(hou)度的結構鋼，采用該(gai)方法可(ke)得到的切(qie)割(ge)速率比(bi)熔(rong)化(hua)切(qie)割(ge)要高。另一方面，該(gai)方法和(he)(he)熔(rong)化(hua)切(qie)割(ge)相比(bi)可(ke)能切(qie)口質(zhi)量(liang)更差(cha)。實(shi)際上它會(hui)生成(cheng)更寬的割(ge)縫、明顯的粗糙度、增加(jia)的熱影響區和(he)(he)更差(cha)的邊緣質(zhi)量(liang)。激光火(huo)焰切(qie)割(ge)在加(jia)工精(jing)密模型和(he)(he)尖角時是不(bu)好的(有燒掉尖角的(de)危(wei)險)。可以使(shi)用(yong)脈沖(chong)模式的(de)(de)激光(guang)(guang)來限制(zhi)熱(re)影響(xiang)，激光(guang)(guang)的(de)(de)功(gong)率(lv)決(jue)定切割(ge)速度(du)。在激光(guang)(guang)功(gong)率(lv)一定的(de)(de)情(qing)況下，限制(zhi)因數就(jiu)是氧氣的(de)(de)供應(ying)和材料的(de)(de)熱(re)傳導率(lv)。

4、控制斷裂切割

對于容易受熱(re)(re)破壞的(de)脆(cui)性材(cai)(cai)料，通過(guo)激(ji)光束(shu)加熱(re)(re)進行高(gao)速、可控的(de)切(qie)斷，稱為控制斷裂切(qie)割(ge)。這(zhe)種切(qie)割(ge)過(guo)程(cheng)主要(yao)內容是：激(ji)光束(shu)加熱(re)(re)脆(cui)性材(cai)(cai)料小塊區(qu)域，引起該區(qu)域大的(de)熱(re)(re)梯度和嚴重(zhong)的(de)機械變形，導(dao)致材(cai)(cai)料形成裂縫。只要(yao)保持均衡的(de)加熱(re)(re)梯度，激(ji)光束(shu)可引導(dao)裂縫在任何需要(yao)的(de)方(fang)向產生。