一、激光切割機的原理

激光(guang)是(shi)一種(zhong)光(guang)，與其他(ta)自然(ran)光(guang)一樣，是(shi)由原子(分子(zi)或離子(zi)等)躍遷產生的(de)(de)。 但它與普通光不同(tong)是激(ji)光僅(jin)在最初極短的(de)(de)時(shi)間內(nei)依賴(lai)于自發(fa)輻(fu)射，此后的(de)(de)過(guo)程(cheng)完全由激(ji)輻(fu)射決(jue)定，因此激(ji)光具有(you)非常純正的(de)(de)顏色(se)，幾乎無發(fa)散的(de)(de)方向性、極高的(de)(de)發(fa)光強(qiang)度和高相干性。

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)(de)控制下(xia)，通過脈沖使激光(guang)器放電(dian)，從而輸出受控的(de)(de)重復高頻(pin)率(lv)的(de)(de)脈沖激光(guang)，形(xing)(xing)成(cheng)一定(ding)頻(pin)率(lv)，一定(ding)脈寬的(de)(de)光(guang)束，該脈沖激光(guang)束經過光(guang)路傳導及反射(she)(she)并(bing)通過聚(ju)焦(jiao)透鏡組聚(ju)焦(jiao)在加(jia)工(gong)(gong)(gong)物(wu)體(ti)(ti)的(de)(de)表面(mian)(mian)上，形(xing)(xing)成(cheng)一個個細(xi)微的(de)(de)、高能(neng)量密度光(guang)斑，焦(jiao)斑位于待加(jia)工(gong)(gong)(gong)面(mian)(mian)附近(jin)，以瞬間高溫(wen)熔化或氣化被加(jia)工(gong)(gong)(gong)材(cai)料。每一個高能(neng)量的(de)(de)激光(guang)脈沖瞬間就(jiu)把(ba)物(wu)體(ti)(ti)表面(mian)(mian)濺射(she)(she)出一個細(xi)小的(de)(de)孔，在計算機(ji)控制下(xia)，激光(guang)加(jia)工(gong)(gong)(gong)頭(tou)與被加(jia)工(gong)(gong)(gong)材(cai)料按預先繪好的(de)(de)圖形(xing)(xing)進行連續相對運(yun)動打點，這樣就(jiu)會把(ba)物(wu)體(ti)(ti)加(jia)工(gong)(gong)(gong)成(cheng)想要(yao)的(de)(de)形(xing)(xing)狀。

切縫時的工藝參數(切割速度，激(ji)光器功率，氣體(ti)壓力等)及運動軌(gui)跡均由(you)數控系統控制(zhi)，割縫處的熔渣(zha)被一(yi)定壓力(li)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(ji)光(guang)氣化(hua)切(qie)割過程中，材料表(biao)面(mian)溫(wen)(wen)度(du)(du)升至(zhi)沸(fei)點溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)速(su)度(du)(du)是如此之快，足以避(bi)免熱傳(chuan)導造(zao)成的(de)(de)熔化(hua)，于是部分材料汽化(hua)成蒸汽消(xiao)失，部分材料作為噴出物(wu)從切(qie)縫(feng)底部被(bei)輔助氣體流吹走(zou)。此情況下需要非常高的(de)(de)激(ji)光(guang)功率。

為(wei)了防止材(cai)料(liao)蒸氣冷凝(ning)到(dao)割(ge)縫壁上，材(cai)料(liao)的(de)厚度一定不要大(da)大(da)超(chao)過激光(guang)光(guang)束的(de)直徑。該(gai)加工(gong)因而只適(shi)合于(yu)應用在(zai)必須避免有(you)熔化(hua)材(cai)料(liao)排除(chu)的(de)情況下。該(gai)加工(gong)實際上只用于(yu)鐵(tie)基合金很小的(de)使用領域。

該(gai)加工(gong)不能(neng)用于(yu)，像(xiang)木材(cai)(cai)和(he)某些(xie)陶瓷等，那些(xie)沒有(you)熔化(hua)(hua)狀(zhuang)態因而不太可能(neng)讓材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)蒸氣再凝結的(de)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)。另(ling)外，這些(xie)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)通常要(yao)達到更厚的(de)切口。在激光(guang)氣化(hua)(hua)切割中，最(zui)優光(guang)束聚焦取決于(yu)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)厚度和(he)光(guang)束質(zhi)量。激光(guang)功率和(he)氣化(hua)(hua)熱對最(zui)優焦點位置只有(you)一(yi)定(ding)的(de)影響。在板(ban)材(cai)(cai)厚度一(yi)定(ding)的(de)情況下，最(zui)大切割速度反(fan)比于(yu)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)氣化(hua)(hua)溫度。所需的(de)激光(guang)功率密(mi)度要(yao)大于(yu)108W/cm2，并且取決于材(cai)(cai)料、切(qie)割深度和光(guang)束焦(jiao)點位置。在板(ban)材(cai)(cai)厚度一定的(de)情況下，假設有(you)足夠的(de)激(ji)光(guang)功率，最大切(qie)割速度受到氣體射流速度的(de)限制。

2、熔化切割

在激光(guang)熔化(hua)切割中，工件被局部熔化(hua)后借助氣流把熔化(hua)的(de)材料(liao)噴射出(chu)去(qu)。因為(wei)材料(liao)的(de)轉移只發(fa)生在其液(ye)態情況(kuang)下，所以(yi)該過程被稱作激光(guang)熔化(hua)切割。

激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)光(guang)束(shu)配上(shang)高(gao)純惰性切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)氣(qi)體(ti)促使(shi)熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)材料離(li)開(kai)割(ge)(ge)(ge)縫，而氣(qi)體(ti)本身不(bu)參(can)于切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)。激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)可以得(de)到(dao)比(bi)氣(qi)化(hua)(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)更高(gao)的(de)(de)切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)速度。氣(qi)化(hua)(hua)(hua)(hua)所(suo)需的(de)(de)能量通常(chang)高(gao)于把材料熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)(hua)所(suo)需的(de)(de)能量。在(zai)激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)中，激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)光(guang)束(shu)只被(bei)部分吸收。最大切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)速度隨著激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)功率(lv)(lv)的(de)(de)增(zeng)加(jia)而增(zeng)加(jia)，隨著板(ban)材厚度的(de)(de)增(zeng)加(jia)和(he)材料熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)(hua)溫(wen)度的(de)(de)增(zeng)加(jia)而幾乎(hu)反比(bi)例地減小(xiao)。在(zai)激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)功率(lv)(lv)一定的(de)(de)情況(kuang)下，限制(zhi)因數就是(shi)割(ge)(ge)(ge)縫處的(de)(de)氣(qi)壓和(he)材料的(de)(de)熱傳導(dao)率(lv)(lv)。激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)對(dui)于鐵制(zhi)材料和(he)鈦金(jin)屬可以得(de)到(dao)無氧化(hua)(hua)(hua)(hua)切(qie)(qie)口。產生熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)(hua)但不(bu)到(dao)氣(qi)化(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)激(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)功率(lv)(lv)密度，對(dui)于鋼材料來說(shuo)，在(zai)104W/cm2～105 W/cm2之間(jian)。

3、氧化熔化切割

熔化(hua)(hua)切割一般使用(yong)惰性氣(qi)體，如果代之以氧氣(qi)或其它活(huo)性氣(qi)體，材料在(zai)激(ji)光束的(de)照射下(xia)被點(dian)燃(ran)，與氧氣(qi)發(fa)生(sheng)激(ji)烈(lie)的(de)化(hua)(hua)學反應而(er)產(chan)生(sheng)另一熱源，使材料進一步加(jia)熱，稱為氧化(hua)(hua)熔化(hua)(hua)切割。

由于此(ci)效應(ying)，對于相(xiang)同厚度的(de)結構鋼，采用(yong)該方(fang)法可得到的(de)切(qie)割速率比熔化切(qie)割要高。另一方(fang)面，該方(fang)法和熔化切(qie)割相(xiang)比可能切(qie)口質(zhi)量更差。實際上它(ta)會生成更寬的(de)割縫(feng)、明顯的(de)粗(cu)糙度、增加(jia)的(de)熱影(ying)響區和更差的(de)邊緣質(zhi)量。激光(guang)火焰切(qie)割在(zai)加(jia)工精(jing)密模型(xing)和尖角時是不好的(de)(有燒掉尖角的危險(xian))。可以使用(yong)脈沖(chong)模式的(de)激光(guang)(guang)來限制熱影響，激光(guang)(guang)的(de)功率(lv)決定(ding)切割(ge)速度。在(zai)激光(guang)(guang)功率(lv)一定(ding)的(de)情況(kuang)下，限制因數(shu)就是氧氣的(de)供應和材料(liao)的(de)熱傳導率(lv)。

4、控制斷裂切割

對于容(rong)易受熱(re)破壞的脆(cui)性(xing)材料(liao)，通過激(ji)光束(shu)加熱(re)進行高(gao)速、可控的切斷，稱(cheng)為控制斷裂切割。這(zhe)種切割過程(cheng)主(zhu)要(yao)內(nei)容(rong)是：激(ji)光束(shu)加熱(re)脆(cui)性(xing)材料(liao)小塊區(qu)域，引起該區(qu)域大(da)的熱(re)梯度和嚴重的機(ji)械變形，導致材料(liao)形成裂縫。只要(yao)保持均(jun)衡的加熱(re)梯度，激(ji)光束(shu)可引導裂縫在任何需要(yao)的方向產生。