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激光切割的應(yīng)用
一、激光切割的主要特性
1、激光切割的切縫窄,工件變形小。
激光束聚焦成很小的光點(diǎn),使焦點(diǎn)處達(dá)到很高的功率密度。這時(shí)光束輸入的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)被材料反射、傳導(dǎo)或擴(kuò)散的部分,材料很快加熱至汽化程度,蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對(duì)線性移動(dòng),使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫。切邊受熱影響很小,基本沒(méi)有工件變形。
切割過(guò)程中還添加與被切材料相適合的輔助汽體。鋼切割時(shí)利用氧作為輔助汽體與熔融金屬產(chǎn)生放熱化學(xué)反應(yīng)氧化材料,同時(shí)幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣。切割聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣,棉、紙等易燃材料切割使用惰性汽體。進(jìn)入噴嘴的輔助汽體還能冷卻聚焦透鏡,防止煙塵進(jìn)入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導(dǎo)致鏡片過(guò)熱。
大多數(shù)有機(jī)與無(wú)機(jī)材料都可以用激光切割。在工業(yè)制造系統(tǒng)占有份量很重的金屬加工業(yè),許多金屬材料,不管它是什么樣的硬度,都可以進(jìn)行無(wú)變形切割。當(dāng)然,對(duì)高反射率材料,如金、銀、銅和鋁合金,它們也是好的傳熱導(dǎo)體,因此激光切割很困難,甚至不能切割。
激光切割無(wú)毛刺、皺折、精度高,優(yōu)于等離子切割。對(duì)許多機(jī)電制造行業(yè)來(lái)說(shuō),由于微機(jī)程序控制的現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件,它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用;盡管它加工速度還慢于模沖,但它沒(méi)有模具消耗,無(wú)須修理模具,還節(jié)約更換模具時(shí)間,從而節(jié)省了加工費(fèi)用,降低了生產(chǎn)成本,所以從總體上考慮是更合算的。
2、激光切割是一種高能量、密度可控性好的無(wú)接觸加工。
激光束聚焦后形成具有*能量的很小作用點(diǎn),把它應(yīng)用于切割有許多特點(diǎn)。首先,激光光能轉(zhuǎn)換成驚人的熱能保持在極小的區(qū)域內(nèi),可提供(1)狹的直邊割縫;(2)zui小的鄰近切邊的熱影響區(qū);(3)極小的局部變形。其次,激光束對(duì)工件不施加任何力,它是無(wú)接觸切割工具,這就意味著(1)工件無(wú)機(jī)械變形;(2)無(wú)刀具磨損,也談不上刀具的轉(zhuǎn)換問(wèn)題;(3)切割材料無(wú)須考慮它的硬度,也即激光切割能力不受被切材料的硬度影響,任何硬度的材料都可以切割。再次,激光束可控性強(qiáng),并有高的適應(yīng)性和柔性,因而(1)與自動(dòng)化設(shè)備相結(jié)合很方便,容易實(shí)現(xiàn)切割過(guò)程自動(dòng)化;(2)由于不存在對(duì)切割工件的限制,激光束具有無(wú)限的仿形切割能力;(3)與計(jì)算機(jī)結(jié)合,可整張板排料,節(jié)省材料。
3、激光切割具有廣泛的適應(yīng)性和靈活性。
與其它常規(guī)加工方法相比,激光切割具有更大的適應(yīng)性。
首先,與其他熱切割方法相比,同樣作為熱切割過(guò)程,別的方法不能象激光束那樣作用于一個(gè)極小的區(qū)域,結(jié)果導(dǎo)致切口寬、熱影響區(qū)大和明顯的工件變形。激光能切割非金屬,而其它熱切割方法則不能。
二、激光切割的主要工藝
1、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(diǎn)溫度的速度是如此之快,足以避免熱傳導(dǎo)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。
2、熔化切割。
當(dāng)入射的激光束功率密度超過(guò)某一值后,光束照射點(diǎn)處材料內(nèi)部開(kāi)媽蒸發(fā),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(dòng),小孔按切割方向同步橫移形成一條切縫。激光束繼續(xù)沿著這條縫的前沿照射,熔化材料持續(xù)或脈動(dòng)地從縫內(nèi)被吹走。
3、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(diǎn)燃,與氧氣發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生另一熱源,稱為氧化熔化切割。
4、控制斷裂切割。
對(duì)于容易受熱破壞的脆性材料,通過(guò)激光束加熱進(jìn)行高速、可控的切斷,稱為控制斷裂切割。這種切割過(guò)程主要內(nèi)容是:激光束加熱脆性材料小塊區(qū)域,引起該區(qū)域大的熱梯度和嚴(yán)重的機(jī)械變形,導(dǎo)致材料形成裂縫。只要保持均衡的加熱梯度,激光束可引導(dǎo)裂縫在任何需要的方向產(chǎn)生。
三、常用工程材料的激光切割
1、金屬材料的激光切割。
雖然幾乎所有的金屬材料在室溫對(duì)紅外波能量有很高的反射率,但發(fā)射處于遠(yuǎn)紅外波段10.6um光束的CO2激光器還是成功的應(yīng)用于許多金屬的激光切割實(shí)踐。金屬對(duì)10.6um激光束的起始吸收率只有0.5%~10%,但是,當(dāng)具有功率密度超過(guò)106w/cm2的聚焦激光束照射到金屬表面時(shí),卻能在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)很快使表面開(kāi)始熔化。處于熔融態(tài)的大多數(shù)金屬的吸收率急劇上升,一般可提高60%~80%。
2、非金屬材料的激光切割。
10.6um波長(zhǎng)的CO2激光束很容易被非金屬材料吸收,導(dǎo)熱性不好和低的蒸發(fā)溫度又使吸收的光束幾乎整個(gè)輸入材料內(nèi)部,并在光斑照射處瞬間汽化,形成起始孔洞,進(jìn)入切割過(guò)程的良性循環(huán)。
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