一、激光切割機的原理

激光(guang)是一種光(guang)，與其他自然(ran)光(guang)一樣，是由(you)原子(分子或離(li)子等)躍遷產生的。 但它與普通光(guang)(guang)(guang)不同是激光(guang)(guang)(guang)僅在最(zui)初(chu)極(ji)短的時間內依賴(lai)于自發(fa)輻射，此(ci)后的過程完全由激輻射決(jue)定，因此(ci)激光(guang)(guang)(guang)具有非(fei)常純正的顏色(se)，幾乎無(wu)發(fa)散的方向性、極(ji)高的發(fa)光(guang)(guang)(guang)強度和高相干(gan)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(mo)(mo)沖使激光(guang)器放電，從(cong)而輸(shu)出受控(kong)的(de)重復高(gao)頻(pin)率(lv)的(de)脈(mo)(mo)沖激光(guang)，形(xing)成一(yi)定(ding)頻(pin)率(lv)，一(yi)定(ding)脈(mo)(mo)寬的(de)光(guang)束(shu)(shu)，該脈(mo)(mo)沖激光(guang)束(shu)(shu)經過光(guang)路傳導(dao)及反射(she)并通(tong)過聚焦(jiao)透鏡組聚焦(jiao)在加(jia)工(gong)物(wu)體(ti)的(de)表(biao)面(mian)上(shang)，形(xing)成一(yi)個(ge)(ge)個(ge)(ge)細(xi)(xi)微的(de)、高(gao)能量(liang)密(mi)度光(guang)斑，焦(jiao)斑位于(yu)待加(jia)工(gong)面(mian)附近(jin)，以瞬間高(gao)溫熔化或氣化被加(jia)工(gong)材料。每一(yi)個(ge)(ge)高(gao)能量(liang)的(de)激光(guang)脈(mo)(mo)沖瞬間就(jiu)把物(wu)體(ti)表(biao)面(mian)濺(jian)射(she)出一(yi)個(ge)(ge)細(xi)(xi)小的(de)孔，在計算機控(kong)制(zhi)下，激光(guang)加(jia)工(gong)頭與被加(jia)工(gong)材料按預先繪好(hao)的(de)圖形(xing)進(jin)行(xing)連續相(xiang)對(dui)運動打點，這樣就(jiu)會把物(wu)體(ti)加(jia)工(gong)成想(xiang)要的(de)形(xing)狀。

切縫時(shi)的工藝參數(shu)(切(qie)割速度，激光器功率，氣(qi)體壓力等)及運動軌(gui)跡均由數控(kong)系統控(kong)制，割縫(feng)處的熔渣被一(yi)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(zai)激光氣化切割過程中，材料表面溫度升至(zhi)沸(fei)點溫度的速度是如此之快，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(shi)，部(bu)分材料作為噴出物(wu)從(cong)切縫底部(bu)被(bei)輔助氣體流吹走。此情(qing)況(kuang)下需(xu)要(yao)非常(chang)高的激光功率(lv)。

為了(le)防止材料(liao)蒸(zheng)氣冷凝(ning)到(dao)割縫壁(bi)上，材料(liao)的(de)厚度一(yi)定不要大大超過(guo)激光光束的(de)直徑。該加工因而只適(shi)合(he)(he)于應用(yong)在必須避免有熔化材料(liao)排除的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)。該加工實(shi)際上只用(yong)于鐵基合(he)(he)金很小的(de)使用(yong)領域(yu)。

該加工不(bu)能用于，像木材和某些陶瓷(ci)等，那些沒有(you)熔化狀態因而不(bu)太(tai)可能讓材料蒸氣(qi)再凝(ning)結的材料。另外(wai)，這些材料通常要達到(dao)更厚的切(qie)口。在激光氣(qi)化切(qie)割中，最(zui)(zui)優(you)光束聚焦取(qu)決(jue)于材料厚度(du)和光束質量。激光功率(lv)和氣(qi)化熱對最(zui)(zui)優(you)焦點(dian)位置(zhi)只有(you)一(yi)定(ding)的影響。在板材厚度(du)一(yi)定(ding)的情況下，最(zui)(zui)大切(qie)割速度(du)反(fan)比(bi)于材料的氣(qi)化溫(wen)度(du)。所需的激光功率(lv)密(mi)度(du)要大于108W/cm2，并且取決于材料(liao)、切割(ge)深度和光(guang)束焦點(dian)位置。在(zai)板(ban)材厚度一定的情(qing)況(kuang)下，假設有足夠的激光(guang)功(gong)率，最大切割(ge)速(su)度受到氣(qi)體射流速(su)度的限制(zhi)。

2、熔化切割

在激(ji)光熔化(hua)切(qie)割(ge)中，工件(jian)被局部熔化(hua)后借助氣流把熔化(hua)的材(cai)料(liao)噴射(she)出去。因為材(cai)料(liao)的轉移只(zhi)發(fa)生在其液態情況(kuang)下，所(suo)以該過(guo)程被稱(cheng)作(zuo)激(ji)光熔化(hua)切(qie)割(ge)。

激光(guang)(guang)光(guang)(guang)束配(pei)上高純(chun)惰性切(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)氣體(ti)促使熔(rong)化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)離開割(ge)(ge)(ge)縫(feng)，而(er)(er)氣體(ti)本身不參于(yu)切(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)。激光(guang)(guang)熔(rong)化(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)可以得到比(bi)氣化(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)更高的(de)(de)(de)切(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)速度。氣化(hua)(hua)(hua)所(suo)(suo)需的(de)(de)(de)能量(liang)通常高于(yu)把材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)熔(rong)化(hua)(hua)(hua)所(suo)(suo)需的(de)(de)(de)能量(liang)。在激光(guang)(guang)熔(rong)化(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)中，激光(guang)(guang)光(guang)(guang)束只被部分吸收(shou)。最大(da)切(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)速度隨著激光(guang)(guang)功率的(de)(de)(de)增(zeng)加而(er)(er)增(zeng)加，隨著板(ban)材(cai)(cai)(cai)(cai)厚度的(de)(de)(de)增(zeng)加和(he)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)熔(rong)化(hua)(hua)(hua)溫(wen)度的(de)(de)(de)增(zeng)加而(er)(er)幾(ji)乎反比(bi)例地減小(xiao)。在激光(guang)(guang)功率一定的(de)(de)(de)情況下，限(xian)制因數就是割(ge)(ge)(ge)縫(feng)處的(de)(de)(de)氣壓(ya)和(he)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)熱傳導(dao)率。激光(guang)(guang)熔(rong)化(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)對于(yu)鐵(tie)制材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)和(he)鈦金(jin)屬可以得到無氧化(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)(qie)口。產生(sheng)熔(rong)化(hua)(hua)(hua)但不到氣化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)激光(guang)(guang)功率密度，對于(yu)鋼(gang)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)來(lai)說，在104W/cm2～105 W/cm2之間。

3、氧化熔化切割

熔(rong)化切割一般使用惰性氣(qi)(qi)(qi)體(ti)，如果代之以(yi)氧氣(qi)(qi)(qi)或其它活性氣(qi)(qi)(qi)體(ti)，材料在激光束的照射下被點(dian)燃(ran)，與氧氣(qi)(qi)(qi)發生激烈的化學反應(ying)而(er)產生另(ling)一熱(re)源(yuan)，使材料進一步加熱(re)，稱為氧化熔(rong)化切割。

由于此效應，對(dui)于相同厚度的(de)結構鋼，采用該方法(fa)(fa)可(ke)得到的(de)切(qie)割(ge)速(su)率(lv)比熔化(hua)切(qie)割(ge)要(yao)高。另一方面，該方法(fa)(fa)和熔化(hua)切(qie)割(ge)相比可(ke)能切(qie)口(kou)質量(liang)更(geng)(geng)差(cha)。實際上它(ta)會生成更(geng)(geng)寬的(de)割(ge)縫、明顯的(de)粗糙度、增加的(de)熱影響(xiang)區和更(geng)(geng)差(cha)的(de)邊緣質量(liang)。激光火(huo)焰(yan)切(qie)割(ge)在加工精密模型和尖角時是不(bu)好的(de)(有燒掉尖角的(de)危(wei)險)。可以使用脈沖模(mo)式的(de)激光來限制熱(re)影響，激光的(de)功(gong)率(lv)決定切割(ge)速(su)度(du)。在激光功(gong)率(lv)一定的(de)情況(kuang)下，限制因數就(jiu)是氧氣的(de)供應(ying)和材料的(de)熱(re)傳導率(lv)。

4、控制斷裂切割

對于容(rong)易(yi)受熱(re)破壞的(de)脆(cui)性材料(liao)(liao)，通過(guo)激(ji)光束(shu)加熱(re)進行高速、可(ke)控(kong)的(de)切斷，稱為控(kong)制斷裂切割。這(zhe)種切割過(guo)程主要內容(rong)是：激(ji)光束(shu)加熱(re)脆(cui)性材料(liao)(liao)小塊區(qu)域，引起該區(qu)域大的(de)熱(re)梯度(du)(du)和嚴重(zhong)的(de)機械(xie)變(bian)形(xing)，導致材料(liao)(liao)形(xing)成裂縫。只(zhi)要保持均(jun)衡的(de)加熱(re)梯度(du)(du)，激(ji)光束(shu)可(ke)引導裂縫在任何需要的(de)方向產生。