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激光切割的主要工藝

汽化切割

  在高功率密度激光束的加熱下,材料表面溫度升至沸點溫度的速度是如此之快,足以避免熱傳導造成的熔化,于是部分材料汽化成蒸汽消失,部分材料作為噴出物從切縫底部被輔助氣體流吹走。一些不能熔化的材料,如木材、碳素材料和某些塑料就是通過這種汽化切割方法切割成形的。

  汽化切割過程中,蒸汽隨身帶走熔化質點和沖刷碎屑,形成孔洞。汽化過程中,大約40%的材料化作蒸汽消失,而有60%的材料是以熔滴的形式被氣流驅除的。

熔化切割

  當入射的激光束功率密度超過某一值后,光束照射點處材料內部開始蒸發,形成孔洞。一旦這種小孔形成,它將作為黑體吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金屬壁所包圍,然后,與光束同軸的輔助氣流把孔洞周圍的熔融材料帶走。隨著工件移動,小孔按切割方向同步橫移形成一條切縫。激光束繼續沿著這條縫的前沿照射,熔化材料持續或脈動地從縫內被吹走。

氧化熔化切割

  熔化切割一般使用惰性氣體,如果代之以氧氣或其它活性氣體,材料在激光束的照射下被點燃,與氧氣發生激烈的化學反應而產生另一熱源,稱為氧化熔化切割。具體描述如下:

  (1)材料表面在激光束的照射下很快被加熱到燃點溫度,隨之與氧氣發生激烈的燃燒反應,放出大量熱量。在此熱量作用下,材料內部形成充滿蒸汽的小孔,而小孔的周圍為熔融的金屬壁所包圍。

  (2)燃燒物質轉移成熔渣控制氧和金屬的燃燒速度,同時氧氣擴散通過熔渣到達點火前沿的快慢也對燃燒速度有很大的影響。氧氣流速越高,燃燒化學反應和去除熔渣的速度也越快。當然,氧氣流速不是越高越好,因為流速過快會導致切縫出口處反應產物即金屬氧化物的快速冷卻,這對切割質量也是不利的。

  (3)顯然,氧化熔化切割過程存在著兩個熱源,即激光照射能和氧與金屬化學反應產生的熱能。據估計,切割鋼時,氧化反應放出的熱量要占到切割所需全部能量的60%左右。

  很明顯,與惰性氣體比較,使用氧作輔助氣體可獲得較高的切割速度。

  (4)在擁有兩個熱源的氧化熔化切割過程中,如果氧的燃燒速度高于激光束的移動速度,割縫顯得寬而粗糙。如果激光束移動的速度比氧的燃燒速度快,則所得切縫狹而光滑。

控制斷裂切割

  對于容易受熱破壞的脆性材料,通過激光束加熱進行高速、可控的切斷,稱為控制斷裂切割。這種切割過程主要內容是:激光束加熱脆性材料小塊區域,引起該區域大的熱梯度和嚴重的機械變形,導致材料形成裂縫。只要保持均衡的加熱梯度,激光束可引導裂縫在任何需要的方向產生。

  要注意的是,這種控制斷裂切割不適合切割銳角和角邊切縫。切割特大封閉外形也不容易獲得成功。控制斷裂切割速度快,不需要太高的功率,否則會引起工件表面熔化,破壞切縫邊緣。其主要控制參數是激光功率和光斑尺寸大小。

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