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激光切割原理

來源: 時間:2018-08-07 14:17:41 次數:

激光切割是利用經聚焦的高功率密度激光束照射工件,使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點,同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質,從而實現將工件割開。激光切割屬于熱切割方法之一。 激光切割的原理見下圖。

激光切割是利用經聚焦的高功率密度激光束照射工件,使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點,同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質,從而實現將工件割開。激光切割屬于熱切割方法之一。

激光切割的原理見下圖。

激光切割分類

激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制斷裂四類。

1)激光汽化切割

利用高能量密度的激光束加熱工件,使溫度迅速上升,在非常短的時間內達到材料的沸點,材料開始汽化,形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大,在蒸氣噴出的同時,在材料上形成切口。材料的汽化熱一般很大,所以激光汽化切割時需要很大的功率和功率密度。

激光汽化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料(如紙、布、木材、塑料和橡皮等)的切割。

2)激光熔化切割

激光熔化切割時,用激光加熱使金屬材料熔化,然后通過與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化性氣體(Ar、He、N等),依靠氣體的強大壓力使液態金屬排出,形成切口。激光熔化切割不需要使金屬完全汽化,所需能量只有汽化切割的1/10。

激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割,如不銹鋼、鈦、鋁及其合金等。

3)激光氧氣切割

激光氧氣切割原理類似于氧乙炔切割。它是用激光作為預熱熱源,用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用,發生氧化反應,放出大量的氧化熱;另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應區吹出,在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應產生了大量的熱,所以激光氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的1/2,而切割速度遠遠大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧氣切割主要用于碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。

4)激光劃片與控制斷裂

激光劃片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面進行掃描,使材料受熱蒸發出一條小槽,然后施加一定的壓力,脆性材料就會沿小槽處裂開。激光劃片用的激光器一般為Q開關激光器和CO2激光器。

控制斷裂是利用激光刻槽時所產生的陡峭的溫度分布,在脆性材料中產生局部熱應力,使材料沿小槽斷開。

激光切割特點

激光切割與其他熱切割方法相比較,總的特點是切割速度快、質量高。具體概括為如下幾個方面。

⑴ 切割質量好

由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快,因此激光切割能夠獲得較好的切割質量。

① 激光切割切口細窄,切縫兩邊平行并且與表面垂直,切割零件的尺寸精度可達±0.05mm。

② 切割表面光潔美觀,表面粗糙度只有幾十微米,甚至激光切割可以作為最后一道工序,無需機械加工,零部件可直接使用。

③ 材料經過激光切割后,熱影響區寬度很小,切縫附近材料的性能也幾乎不受影響,并且工件變形小,切割精度高,切縫的幾何形狀好,切縫橫截面形狀呈現較為規則的長方形。激光切割、氧乙炔切割和等離子切割方法的比較見表1,切割材料為6.2mm厚的低碳鋼板。

⑵ 切割效率高由于激光的傳輸特性,激光切割機上一般配有多臺數控工作臺,整個切割過程可以全部實現數控。操作時,只需改變數控程序,就可適用不同形狀零件的切割,既可進行二維切割,又可實現三維切割。

⑶ 切割速度快

用功率為1200W的激光切割2mm厚的低碳鋼板,切割速度可達600cm/min;切割5mm厚的聚丙烯樹脂板,切割速度可達1200cm/min。材料在激光切割時不需要裝夾固定,既可節省工裝夾具,又節省了上、下料的輔助時間。

⑷ 非接觸式切割

激光切割時割炬與工件無接觸,不存在工具的磨損。加工不同形狀的零件,不需要更換“刀具”,只需改變激光器的輸出參數。激光切割過程噪聲低,振動小,無污染。

⑸ 切割材料的種類多

與氧乙炔切割和等離子切割比較,激光切割材料的種類多,包括金屬、非金屬、金屬基和非金屬基復合材料、皮革、木材及纖維等。但是對于不同的材料,由于自身的熱物理性能及對激光的吸收率不同,表現出不同的激光切割適應性。采用CO2激光器,各種材料的激光切割性能見表2。

⑹ 缺點激光切割由于受激光器功率和設備體積的限制,激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材,而且隨著工件厚度的增加,切割速度明顯下降。

激光切割設備費用高,一次性投資大。

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