一、激光切割機的原理

激光(guang)是(shi)(shi)一種(zhong)光(guang)，與其他自然(ran)光(guang)一樣，是(shi)(shi)由(you)原子(zi)(分子或(huo)離子等)躍遷(qian)產生的(de)。 但(dan)它與(yu)普通光(guang)不同是激光(guang)僅在最初極短的(de)時間內依賴于自發輻(fu)射，此(ci)后的(de)過程完全(quan)由激輻(fu)射決定，因此(ci)激光(guang)具有非常純正(zheng)的(de)顏色，幾(ji)乎無(wu)發散的(de)方(fang)向性(xing)、極高的(de)發光(guang)強度和高相(xiang)干(gan)性(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(de)控(kong)制下，通過脈(mo)(mo)沖使(shi)激(ji)光器放電，從而輸出受控(kong)的(de)重復高(gao)頻(pin)率(lv)(lv)的(de)脈(mo)(mo)沖激(ji)光，形成一定(ding)頻(pin)率(lv)(lv)，一定(ding)脈(mo)(mo)寬(kuan)的(de)光束，該脈(mo)(mo)沖激(ji)光束經(jing)過光路傳導及(ji)反射并通過聚焦透鏡組(zu)聚焦在加(jia)工(gong)(gong)物(wu)體(ti)(ti)的(de)表(biao)面上，形成一個個細(xi)微的(de)、高(gao)能(neng)量密(mi)度光斑(ban)，焦斑(ban)位于(yu)待加(jia)工(gong)(gong)面附(fu)近，以(yi)瞬間高(gao)溫熔化或氣化被(bei)加(jia)工(gong)(gong)材料。每一個高(gao)能(neng)量的(de)激(ji)光脈(mo)(mo)沖瞬間就(jiu)把物(wu)體(ti)(ti)表(biao)面濺射出一個細(xi)小(xiao)的(de)孔(kong)，在計算機控(kong)制下，激(ji)光加(jia)工(gong)(gong)頭與(yu)被(bei)加(jia)工(gong)(gong)材料按(an)預先繪好的(de)圖形進(jin)行連續相對(dui)運(yun)動打(da)點，這樣就(jiu)會把物(wu)體(ti)(ti)加(jia)工(gong)(gong)成想要的(de)形狀。

切(qie)縫時的工藝參數(切割速度，激光(guang)器功率，氣體(ti)壓力等)及(ji)運動軌(gui)跡均(jun)由數控系統控制(zhi)，割縫處(chu)的(de)熔渣被一定壓力的(de)輔助氣體吹除(chu)。

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二、激光切割機的主要工藝

1、汽化切割?

在激(ji)(ji)光氣化(hua)切(qie)割(ge)過(guo)程中，材(cai)料表面(mian)溫度升至沸(fei)點(dian)溫度的(de)速度是如(ru)此(ci)之快，足以避免熱傳(chuan)導造成(cheng)(cheng)的(de)熔化(hua)，于是部(bu)分材(cai)料汽(qi)化(hua)成(cheng)(cheng)蒸汽(qi)消(xiao)失，部(bu)分材(cai)料作為噴出物從切(qie)縫底部(bu)被輔助氣體(ti)流吹(chui)走。此(ci)情況下需要非常高的(de)激(ji)(ji)光功率。

為(wei)了防止材料蒸(zheng)氣冷(leng)凝(ning)到割縫(feng)壁(bi)上，材料的厚度(du)一定不要大大超過激光(guang)光(guang)束(shu)的直徑(jing)。該加工因(yin)而(er)只適合于(yu)應用(yong)在(zai)必(bi)須避(bi)免有熔化材料排(pai)除的情況下。該加工實際上只用(yong)于(yu)鐵基(ji)合金很小的使用(yong)領(ling)域(yu)。

該加工不能用于，像木材(cai)(cai)(cai)(cai)和(he)某些(xie)陶瓷(ci)等(deng)，那些(xie)沒有熔化狀態因(yin)而不太可能讓材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)蒸氣再凝結的材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)。另外，這些(xie)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)通常要(yao)達(da)到(dao)更厚(hou)的切(qie)(qie)口(kou)。在激(ji)光(guang)(guang)氣化切(qie)(qie)割中，最優光(guang)(guang)束(shu)(shu)聚焦(jiao)取決(jue)于材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)厚(hou)度和(he)光(guang)(guang)束(shu)(shu)質量。激(ji)光(guang)(guang)功率和(he)氣化熱對最優焦(jiao)點位置只有一定(ding)的影響。在板材(cai)(cai)(cai)(cai)厚(hou)度一定(ding)的情況(kuang)下(xia)，最大切(qie)(qie)割速(su)度反比于材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)的氣化溫度。所需的激(ji)光(guang)(guang)功率密度要(yao)大于108W/cm2，并且(qie)取決于材(cai)(cai)料、切(qie)割(ge)深度(du)和(he)光(guang)束焦點位(wei)置。在板(ban)材(cai)(cai)厚度(du)一定(ding)的(de)情況(kuang)下(xia)，假設有足(zu)夠的(de)激光(guang)功率，最大(da)切(qie)割(ge)速(su)度(du)受到(dao)氣體射流速(su)度(du)的(de)限(xian)制。

2、熔化切割

在激光熔(rong)化切割(ge)中，工件被(bei)局部熔(rong)化后借助氣流把熔(rong)化的(de)材料(liao)噴(pen)射出去。因(yin)為材料(liao)的(de)轉移只發(fa)生在其液態(tai)情況(kuang)下，所以該過程(cheng)被(bei)稱作激光熔(rong)化切割(ge)。

激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)光(guang)束配上(shang)高(gao)(gao)純惰性切(qie)(qie)(qie)割(ge)氣(qi)(qi)體(ti)促(cu)使熔(rong)(rong)化(hua)的(de)材(cai)(cai)(cai)料(liao)離開割(ge)縫，而(er)氣(qi)(qi)體(ti)本身(shen)不參于(yu)(yu)切(qie)(qie)(qie)割(ge)。激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)熔(rong)(rong)化(hua)切(qie)(qie)(qie)割(ge)可以得到比(bi)氣(qi)(qi)化(hua)切(qie)(qie)(qie)割(ge)更高(gao)(gao)的(de)切(qie)(qie)(qie)割(ge)速度。氣(qi)(qi)化(hua)所需(xu)的(de)能量通(tong)常高(gao)(gao)于(yu)(yu)把(ba)材(cai)(cai)(cai)料(liao)熔(rong)(rong)化(hua)所需(xu)的(de)能量。在激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)熔(rong)(rong)化(hua)切(qie)(qie)(qie)割(ge)中(zhong)，激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)光(guang)束只(zhi)被部分吸(xi)收(shou)。最大切(qie)(qie)(qie)割(ge)速度隨著(zhu)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)功率的(de)增加(jia)而(er)增加(jia)，隨著(zhu)板材(cai)(cai)(cai)厚度的(de)增加(jia)和(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)熔(rong)(rong)化(hua)溫度的(de)增加(jia)而(er)幾乎反比(bi)例地減小。在激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)功率一定的(de)情況下，限制(zhi)因數就是割(ge)縫處的(de)氣(qi)(qi)壓和(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)熱(re)傳(chuan)導率。激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)熔(rong)(rong)化(hua)切(qie)(qie)(qie)割(ge)對(dui)于(yu)(yu)鐵制(zhi)材(cai)(cai)(cai)料(liao)和(he)鈦(tai)金屬(shu)可以得到無氧化(hua)切(qie)(qie)(qie)口(kou)。產生熔(rong)(rong)化(hua)但不到氣(qi)(qi)化(hua)的(de)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)功率密度，對(dui)于(yu)(yu)鋼材(cai)(cai)(cai)料(liao)來說，在104W/cm2～105 W/cm2之間。

3、氧化熔化切割

熔化切(qie)割(ge)一般使用(yong)惰性氣體，如果(guo)代之以氧(yang)(yang)氣或其(qi)它(ta)活性氣體，材料在激光束的照射(she)下被點燃(ran)，與氧(yang)(yang)氣發生激烈的化學反應(ying)而產生另一熱源，使材料進(jin)一步(bu)加熱，稱為(wei)氧(yang)(yang)化熔化切(qie)割(ge)。

由于(yu)此效應，對于(yu)相同(tong)厚度的(de)(de)結(jie)構鋼，采用(yong)該(gai)方法(fa)可得到的(de)(de)切(qie)割(ge)速率比(bi)熔化(hua)切(qie)割(ge)要高。另一方面，該(gai)方法(fa)和(he)(he)熔化(hua)切(qie)割(ge)相比(bi)可能切(qie)口質(zhi)量更差。實際(ji)上它會生成更寬的(de)(de)割(ge)縫、明顯的(de)(de)粗(cu)糙度、增加的(de)(de)熱影響區(qu)和(he)(he)更差的(de)(de)邊緣質(zhi)量。激(ji)光火(huo)焰(yan)切(qie)割(ge)在加工(gong)精密模型和(he)(he)尖角時是不好的(de)(de)(有燒掉尖角的危險)。可(ke)以使用(yong)脈沖模(mo)式的(de)激(ji)光(guang)來(lai)限制(zhi)熱影(ying)響(xiang)，激(ji)光(guang)的(de)功(gong)(gong)率決定(ding)(ding)切割速度。在激(ji)光(guang)功(gong)(gong)率一(yi)定(ding)(ding)的(de)情況下，限制(zhi)因數就是氧氣的(de)供應和材料的(de)熱傳導率。

4、控制斷裂切割

對(dui)于容(rong)(rong)易受熱破壞的(de)(de)脆(cui)性材料(liao)，通過(guo)激光(guang)束加(jia)(jia)熱進行高速、可控的(de)(de)切斷(duan)，稱為控制斷(duan)裂切割(ge)。這種切割(ge)過(guo)程(cheng)主要(yao)(yao)內容(rong)(rong)是：激光(guang)束加(jia)(jia)熱脆(cui)性材料(liao)小塊區(qu)域，引起該區(qu)域大的(de)(de)熱梯(ti)度和嚴重的(de)(de)機械變形(xing)，導(dao)致材料(liao)形(xing)成裂縫。只要(yao)(yao)保持均衡的(de)(de)加(jia)(jia)熱梯(ti)度，激光(guang)束可引導(dao)裂縫在(zai)任何(he)需要(yao)(yao)的(de)(de)方向產生。