一、激光切割機的原理

激光是一(yi)種光，與(yu)其(qi)他自然光一(yi)樣，是由原(yuan)子(分子(zi)或離子(zi)等)躍遷產(chan)生的(de)。 但它(ta)與普通光(guang)(guang)不同是激光(guang)(guang)僅在最初(chu)極短的(de)時(shi)間內依賴于(yu)自發(fa)輻射，此后的(de)過程完全由激輻射決(jue)定，因此激光(guang)(guang)具有(you)非常純正的(de)顏(yan)色，幾乎無發(fa)散的(de)方向性、極高(gao)(gao)的(de)發(fa)光(guang)(guang)強度和(he)高(gao)(gao)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)制下，通過脈(mo)沖(chong)使激光(guang)器放電，從而輸(shu)出受控(kong)的(de)重復(fu)高(gao)頻(pin)(pin)率(lv)的(de)脈(mo)沖(chong)激光(guang)，形成(cheng)一(yi)定頻(pin)(pin)率(lv)，一(yi)定脈(mo)寬的(de)光(guang)束(shu)，該脈(mo)沖(chong)激光(guang)束(shu)經過光(guang)路傳導及反射(she)并通過聚焦(jiao)(jiao)(jiao)透鏡組聚焦(jiao)(jiao)(jiao)在加(jia)(jia)工(gong)物體(ti)(ti)的(de)表面上(shang)，形成(cheng)一(yi)個(ge)(ge)個(ge)(ge)細微(wei)的(de)、高(gao)能(neng)量密度光(guang)斑，焦(jiao)(jiao)(jiao)斑位于(yu)待(dai)加(jia)(jia)工(gong)面附近，以瞬間高(gao)溫熔化或氣化被加(jia)(jia)工(gong)材(cai)料(liao)。每(mei)一(yi)個(ge)(ge)高(gao)能(neng)量的(de)激光(guang)脈(mo)沖(chong)瞬間就把物體(ti)(ti)表面濺射(she)出一(yi)個(ge)(ge)細小的(de)孔，在計算機控(kong)制下，激光(guang)加(jia)(jia)工(gong)頭與(yu)被加(jia)(jia)工(gong)材(cai)料(liao)按預先繪好的(de)圖形進(jin)行連(lian)續相對運動(dong)打(da)點，這(zhe)樣就會把物體(ti)(ti)加(jia)(jia)工(gong)成(cheng)想要的(de)形狀。

切縫時的工藝參數(切割速(su)度(du)，激(ji)光器功(gong)率(lv)，氣體壓力等)及運動軌跡(ji)均(jun)由數控系(xi)統控制，割(ge)縫處的熔渣被(bei)一定壓力的輔助氣體吹除。

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二、激光切割機的主要工藝

1、汽化切割?

在激光氣化(hua)(hua)切(qie)割(ge)過程(cheng)中，材(cai)料表面溫(wen)度(du)(du)升(sheng)至沸點溫(wen)度(du)(du)的速度(du)(du)是如此之快(kuai)，足以(yi)避免熱傳(chuan)導(dao)造(zao)成的熔化(hua)(hua)，于是部分(fen)材(cai)料汽化(hua)(hua)成蒸汽消失，部分(fen)材(cai)料作為噴出物從(cong)切(qie)縫底部被(bei)輔(fu)助氣體流吹(chui)走(zou)。此情況下需要非常高(gao)的激光功率。

為了(le)防止材料(liao)蒸氣冷凝(ning)到割縫壁(bi)上，材料(liao)的(de)厚度一定不(bu)要大大超過激(ji)光(guang)光(guang)束的(de)直徑(jing)。該加工(gong)因而只(zhi)適(shi)合(he)于應用在必須避免有熔化(hua)材料(liao)排(pai)除的(de)情況(kuang)下。該加工(gong)實(shi)際上只(zhi)用于鐵基合(he)金很小的(de)使用領域。

該加工不能用于(yu)，像木材(cai)和某些(xie)陶瓷等，那些(xie)沒有熔化(hua)狀態因而不太可能讓(rang)材(cai)料(liao)蒸氣再凝(ning)結的(de)(de)材(cai)料(liao)。另外，這些(xie)材(cai)料(liao)通常要達到更厚(hou)的(de)(de)切(qie)口。在激光(guang)氣化(hua)切(qie)割中，最(zui)優(you)光(guang)束(shu)聚焦取(qu)決于(yu)材(cai)料(liao)厚(hou)度和光(guang)束(shu)質(zhi)量。激光(guang)功率和氣化(hua)熱對最(zui)優(you)焦點位置只有一定的(de)(de)影響。在板材(cai)厚(hou)度一定的(de)(de)情況下，最(zui)大切(qie)割速(su)度反比(bi)于(yu)材(cai)料(liao)的(de)(de)氣化(hua)溫度。所需的(de)(de)激光(guang)功率密度要大于(yu)108W/cm2，并且取(qu)決于材料、切割(ge)深度(du)和光束焦點位(wei)置。在板材厚度(du)一(yi)定的情況下，假設有足夠的激光功率，最(zui)大切割(ge)速(su)(su)度(du)受到氣(qi)體射流速(su)(su)度(du)的限制。

2、熔化切割

在激光熔化(hua)切(qie)割(ge)中(zhong)，工件被(bei)局部熔化(hua)后(hou)借助(zhu)氣流把熔化(hua)的(de)材料噴射出(chu)去。因為材料的(de)轉(zhuan)移只發生在其液(ye)態情(qing)況下，所以該過程被(bei)稱(cheng)作激光熔化(hua)切(qie)割(ge)。

激(ji)光(guang)(guang)光(guang)(guang)束(shu)配上高純惰(duo)性切割(ge)(ge)氣(qi)(qi)體促使熔化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)材(cai)(cai)料離(li)開割(ge)(ge)縫(feng)，而氣(qi)(qi)體本(ben)身不參于(yu)切割(ge)(ge)。激(ji)光(guang)(guang)熔化(hua)(hua)(hua)切割(ge)(ge)可以(yi)得到比氣(qi)(qi)化(hua)(hua)(hua)切割(ge)(ge)更(geng)高的(de)(de)切割(ge)(ge)速度。氣(qi)(qi)化(hua)(hua)(hua)所需的(de)(de)能量(liang)通(tong)常高于(yu)把材(cai)(cai)料熔化(hua)(hua)(hua)所需的(de)(de)能量(liang)。在激(ji)光(guang)(guang)熔化(hua)(hua)(hua)切割(ge)(ge)中(zhong)，激(ji)光(guang)(guang)光(guang)(guang)束(shu)只被(bei)部分吸收。最(zui)大(da)切割(ge)(ge)速度隨著(zhu)激(ji)光(guang)(guang)功率(lv)的(de)(de)增(zeng)(zeng)加而增(zeng)(zeng)加，隨著(zhu)板材(cai)(cai)厚度的(de)(de)增(zeng)(zeng)加和(he)材(cai)(cai)料熔化(hua)(hua)(hua)溫度的(de)(de)增(zeng)(zeng)加而幾乎反比例地減小(xiao)。在激(ji)光(guang)(guang)功率(lv)一定的(de)(de)情況下，限制(zhi)因數就是割(ge)(ge)縫(feng)處的(de)(de)氣(qi)(qi)壓和(he)材(cai)(cai)料的(de)(de)熱傳導率(lv)。激(ji)光(guang)(guang)熔化(hua)(hua)(hua)切割(ge)(ge)對(dui)于(yu)鐵制(zhi)材(cai)(cai)料和(he)鈦金屬可以(yi)得到無氧化(hua)(hua)(hua)切口(kou)。產(chan)生熔化(hua)(hua)(hua)但不到氣(qi)(qi)化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)功率(lv)密度，對(dui)于(yu)鋼材(cai)(cai)料來說(shuo)，在104W/cm2～105 W/cm2之(zhi)間。

3、氧化熔化切割

熔化切(qie)(qie)割一(yi)般(ban)使用惰性氣(qi)體，如果代之以氧(yang)氣(qi)或其它活性氣(qi)體，材料在激光束的照射下被(bei)點燃，與氧(yang)氣(qi)發生(sheng)激烈的化學反應而產生(sheng)另一(yi)熱源(yuan)，使材料進(jin)一(yi)步加(jia)熱，稱為氧(yang)化熔化切(qie)(qie)割。

由于此(ci)效應，對于相同厚(hou)度的(de)結構鋼(gang)，采用該方(fang)法可得到的(de)切(qie)割(ge)速率比熔(rong)化(hua)切(qie)割(ge)要高(gao)。另一方(fang)面，該方(fang)法和熔(rong)化(hua)切(qie)割(ge)相比可能切(qie)口質量(liang)更差(cha)。實際上它會(hui)生成(cheng)更寬的(de)割(ge)縫(feng)、明(ming)顯的(de)粗糙(cao)度、增加的(de)熱(re)影響區(qu)和更差(cha)的(de)邊(bian)緣質量(liang)。激光火焰切(qie)割(ge)在加工精(jing)密模(mo)型(xing)和尖角時(shi)是不好的(de)(有燒(shao)掉尖角的危險)。可(ke)以使用(yong)脈沖模式(shi)的激(ji)光來限制(zhi)熱(re)影(ying)響，激(ji)光的功率決定(ding)切割速度(du)。在激(ji)光功率一定(ding)的情況(kuang)下(xia)，限制(zhi)因數就是氧氣的供應和(he)材料的熱(re)傳導率。

4、控制斷裂切割

對于容易受(shou)熱(re)(re)(re)破壞的(de)脆性(xing)材(cai)料(liao)，通過激(ji)(ji)光束加熱(re)(re)(re)進行高速、可(ke)控的(de)切(qie)斷(duan)，稱為控制斷(duan)裂(lie)切(qie)割。這種(zhong)切(qie)割過程主要內容是：激(ji)(ji)光束加熱(re)(re)(re)脆性(xing)材(cai)料(liao)小塊區域，引起該區域大的(de)熱(re)(re)(re)梯度(du)和(he)嚴重的(de)機械變(bian)形，導致材(cai)料(liao)形成裂(lie)縫(feng)。只要保持均(jun)衡的(de)加熱(re)(re)(re)梯度(du)，激(ji)(ji)光束可(ke)引導裂(lie)縫(feng)在任何(he)需要的(de)方向(xiang)產生。