一、激光切割機的原理

激光(guang)是(shi)(shi)一種(zhong)光(guang)，與(yu)其他自然光(guang)一樣，是(shi)(shi)由原子(zi)(分(fen)子或離子等)躍遷產(chan)生的。 但它與普通光不(bu)同是激(ji)光僅(jin)在最初極(ji)短的時(shi)間內依賴于(yu)自發(fa)輻射，此后(hou)的過程完(wan)全由激(ji)輻射決定，因此激(ji)光具有非常純正的顏色，幾乎(hu)無發(fa)散的方(fang)向性、極(ji)高(gao)的發(fa)光強度和高(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)(kong)制下，通過(guo)脈(mo)沖(chong)使(shi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器放電，從而輸出受控(kong)(kong)的(de)重復(fu)高(gao)頻率(lv)的(de)脈(mo)沖(chong)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)，形成一(yi)定頻率(lv)，一(yi)定脈(mo)寬(kuan)的(de)光(guang)(guang)(guang)束，該脈(mo)沖(chong)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)束經過(guo)光(guang)(guang)(guang)路傳導及反(fan)射并通過(guo)聚(ju)焦透鏡組聚(ju)焦在(zai)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)物(wu)體(ti)的(de)表(biao)面上，形成一(yi)個(ge)個(ge)細(xi)微的(de)、高(gao)能量密度光(guang)(guang)(guang)斑(ban)，焦斑(ban)位于待加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)面附近，以瞬間高(gao)溫熔化(hua)或氣(qi)化(hua)被(bei)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)材(cai)料。每一(yi)個(ge)高(gao)能量的(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)脈(mo)沖(chong)瞬間就把(ba)物(wu)體(ti)表(biao)面濺射出一(yi)個(ge)細(xi)小的(de)孔，在(zai)計算機控(kong)(kong)制下，激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)頭與被(bei)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)材(cai)料按預先繪好的(de)圖形進行連續相對運動打點，這樣就會把(ba)物(wu)體(ti)加(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)成想要的(de)形狀(zhuang)。

切縫時的工藝(yi)參數(切割速度，激光器功(gong)率(lv)，氣體(ti)壓力等(deng))及(ji)運動軌跡(ji)均由數(shu)控(kong)系(xi)統控(kong)制，割縫處的熔渣(zha)被(bei)一定壓力的輔助(zhu)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(zai)激光氣化切割過程(cheng)中，材料表面溫(wen)度升至(zhi)沸點溫(wen)度的速度是如此之快(kuai)，足以避免熱傳導造成的熔化，于(yu)是部(bu)分材料汽化成蒸汽消失，部(bu)分材料作(zuo)為(wei)噴出物從(cong)切縫底部(bu)被(bei)輔助氣體流吹走。此情況下(xia)需(xu)要非常高的激光功(gong)率(lv)。

為了防止(zhi)材料蒸氣冷凝到割(ge)縫壁上，材料的厚度一(yi)定不要(yao)大大超過激光(guang)光(guang)束的直徑。該加工因(yin)而只適合于應用在必(bi)須避免有熔化(hua)材料排除的情(qing)況下(xia)。該加工實際上只用于鐵(tie)基(ji)合金很小的使(shi)用領域。

該加工不能用(yong)于，像木材(cai)(cai)(cai)和某些陶瓷等，那(nei)些沒有(you)熔化(hua)(hua)狀(zhuang)態(tai)因而不太可能讓材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)蒸氣(qi)再凝(ning)結的(de)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)。另外，這(zhe)些材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)通常要(yao)(yao)達到(dao)更厚的(de)切口。在激(ji)光(guang)氣(qi)化(hua)(hua)切割(ge)中，最優(you)光(guang)束(shu)聚焦取(qu)決于材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)厚度(du)和光(guang)束(shu)質量。激(ji)光(guang)功率(lv)和氣(qi)化(hua)(hua)熱對最優(you)焦點位置(zhi)只有(you)一定的(de)影響(xiang)。在板(ban)材(cai)(cai)(cai)厚度(du)一定的(de)情況(kuang)下，最大切割(ge)速(su)度(du)反比于材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)氣(qi)化(hua)(hua)溫度(du)。所需的(de)激(ji)光(guang)功率(lv)密(mi)度(du)要(yao)(yao)大于108W/cm2，并且(qie)取決于材料(liao)、切割深度(du)(du)和光束焦點位置。在(zai)板材厚度(du)(du)一定的情況下，假(jia)設有(you)足夠的激光功率，最大切割速(su)(su)度(du)(du)受到(dao)氣體射流速(su)(su)度(du)(du)的限制。

2、熔化切割

在(zai)激(ji)(ji)光熔化(hua)切(qie)割中，工件被局部熔化(hua)后借(jie)助氣流(liu)把熔化(hua)的材料噴射出去。因(yin)為材料的轉移只發生在(zai)其液態情況下(xia)，所以該過程被稱作激(ji)(ji)光熔化(hua)切(qie)割。

激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)束配上高純惰性切(qie)(qie)割(ge)(ge)氣(qi)體(ti)促使熔(rong)(rong)化的(de)材(cai)(cai)料(liao)離(li)開割(ge)(ge)縫(feng)，而(er)氣(qi)體(ti)本(ben)身不(bu)參于(yu)切(qie)(qie)割(ge)(ge)。激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)熔(rong)(rong)化切(qie)(qie)割(ge)(ge)可以得(de)(de)到比(bi)(bi)氣(qi)化切(qie)(qie)割(ge)(ge)更高的(de)切(qie)(qie)割(ge)(ge)速度。氣(qi)化所需(xu)的(de)能量通常高于(yu)把材(cai)(cai)料(liao)熔(rong)(rong)化所需(xu)的(de)能量。在(zai)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)熔(rong)(rong)化切(qie)(qie)割(ge)(ge)中，激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)束只被部分吸收。最大切(qie)(qie)割(ge)(ge)速度隨著激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)功(gong)率的(de)增(zeng)加而(er)增(zeng)加，隨著板材(cai)(cai)厚度的(de)增(zeng)加和材(cai)(cai)料(liao)熔(rong)(rong)化溫度的(de)增(zeng)加而(er)幾乎反比(bi)(bi)例地減小(xiao)。在(zai)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)功(gong)率一定的(de)情況(kuang)下，限制因數就是割(ge)(ge)縫(feng)處的(de)氣(qi)壓和材(cai)(cai)料(liao)的(de)熱傳導率。激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)熔(rong)(rong)化切(qie)(qie)割(ge)(ge)對于(yu)鐵制材(cai)(cai)料(liao)和鈦金屬可以得(de)(de)到無氧化切(qie)(qie)口。產(chan)生熔(rong)(rong)化但不(bu)到氣(qi)化的(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)功(gong)率密度，對于(yu)鋼材(cai)(cai)料(liao)來說，在(zai)104W/cm2～105 W/cm2之間。

3、氧化熔化切割

熔(rong)(rong)化切(qie)割一(yi)(yi)般使用(yong)惰性(xing)氣體，如果代之以氧氣或其它(ta)活(huo)性(xing)氣體，材(cai)料(liao)在激光束的(de)照射下(xia)被點燃，與氧氣發生(sheng)(sheng)激烈(lie)的(de)化學反應而(er)產生(sheng)(sheng)另(ling)一(yi)(yi)熱源，使材(cai)料(liao)進一(yi)(yi)步加(jia)熱，稱為氧化熔(rong)(rong)化切(qie)割。

由(you)于此效應，對于相同厚度的(de)(de)(de)(de)結(jie)構鋼，采(cai)用該(gai)方法可得到的(de)(de)(de)(de)切(qie)割(ge)速率比熔化(hua)切(qie)割(ge)要高。另一方面，該(gai)方法和熔化(hua)切(qie)割(ge)相比可能切(qie)口質量更差。實際上(shang)它會生成更寬的(de)(de)(de)(de)割(ge)縫、明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)粗糙度、增加的(de)(de)(de)(de)熱影響區和更差的(de)(de)(de)(de)邊緣質量。激光火焰切(qie)割(ge)在(zai)加工精(jing)密模型(xing)和尖(jian)角時(shi)是不好的(de)(de)(de)(de)(有燒掉尖角的危(wei)險)。可(ke)以使用(yong)脈沖模式的(de)激光(guang)來限制熱影(ying)響(xiang)，激光(guang)的(de)功率(lv)決定切割速度。在激光(guang)功率(lv)一定的(de)情況下，限制因數就是氧氣(qi)的(de)供應和材料的(de)熱傳導率(lv)。

4、控制斷裂切割

對于容易(yi)受(shou)熱破(po)壞的(de)脆性材料(liao)，通過激(ji)(ji)光束(shu)加熱進行高速、可控的(de)切(qie)斷，稱為(wei)控制斷裂(lie)(lie)切(qie)割(ge)。這種(zhong)切(qie)割(ge)過程主(zhu)要(yao)(yao)內容是(shi)：激(ji)(ji)光束(shu)加熱脆性材料(liao)小塊區域(yu)，引起該區域(yu)大的(de)熱梯度(du)和嚴重的(de)機械變形(xing)，導致材料(liao)形(xing)成(cheng)裂(lie)(lie)縫(feng)。只要(yao)(yao)保持均衡的(de)加熱梯度(du)，激(ji)(ji)光束(shu)可引導裂(lie)(lie)縫(feng)在任何需(xu)要(yao)(yao)的(de)方向產生。