激光在在教學(xué)、軍事、工業(yè)上都有應(yīng)用。其中激光切割機(jī)就是其應(yīng)用之一。激光切割機(jī)在金屬與非金屬的切上都有運(yùn)用。利用激光束使材料表面的融化。本文將講述激光切割機(jī)的原理。
激光切割機(jī)原理——介紹
激光切割機(jī)技術(shù)采用激光束照射到金屬板材表面時(shí)釋放的能量。使金屬板材熔化并由氣體將溶渣吹走。由于激光力量非常集中，所以只有少量熱傳到金屬板材的其它部分，造成的變形很小或沒有變形。利用激光可以非常準(zhǔn)確地切割復(fù)雜形狀的坯料，所切割的坯料不必再作進(jìn)一步的處理。
激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率為500～5000瓦。該功率的水平比許多家用電暖氣所需要的功率還低，由于通過透鏡和反射鏡，激光束聚集在很小的區(qū)域。能量的高度集中能夠進(jìn)行迅速局部加熱，使金屬板材溶化。
利用激光切割設(shè)備可切割16mm以下的不銹鋼，在激光束中加氧氣可切割8～10mm厚的不銹鋼，但加氧切割后會(huì)在切割面形成薄薄的氧化膜。切割的最大厚度可增加到16mm，但切割部件的尺寸誤差較大。
作為高科技的激光技術(shù)，自問世以來，就一直針對(duì)不同的社會(huì)需求研發(fā)出適合各行業(yè)的激光產(chǎn)品，如激光打印機(jī)，激光美容機(jī)，激光打標(biāo)數(shù)控激光切割機(jī)機(jī)，激光切割機(jī)等產(chǎn)品，由于國內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)起步較晚，在技術(shù)研發(fā)上很大程度落后于一些發(fā)達(dá)國家，目前國內(nèi)的激光產(chǎn)品生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出來的激光產(chǎn)品，一些關(guān)鍵的零配件如激光管，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，振鏡，聚焦鏡等還是采用進(jìn)品的。這就造成了成本的上升，也加重了消費(fèi)者的承擔(dān)。
近年來，隨著國內(nèi)激光技術(shù)的進(jìn)步，在整機(jī)及一些零配件的研發(fā)生產(chǎn)上已逐漸向國外先進(jìn)產(chǎn)品靠攏。在某些方面甚至優(yōu)于國外產(chǎn)品，再加上介格的優(yōu)勢，在國內(nèi)市場還是占據(jù)主導(dǎo)地位。但是在一些精密加工及設(shè)備、穩(wěn)定性和耐性方面，國外先進(jìn)產(chǎn)品還是占據(jù)絕對(duì)的優(yōu)勢的。
激光切割機(jī)原理——原理
在激光切割機(jī)中，其主要工作的是激光管，因此我們要了解激光管。
都清楚的知道激光設(shè)備中，激光管的重要性，下面就以現(xiàn)今最為普遍的一種激光管來進(jìn)行判定。CO2激光管!
激光管的組成是采用一種硬質(zhì)的玻璃制造的，因此是一種易碎，易裂的物質(zhì)。要想了解CO2激光管，就必須先要了解激光管的結(jié)構(gòu)，像這種二氧化碳激光器采用的都是層套筒式結(jié)構(gòu)，最為里面的是一層放電管。然而二氧化碳的激光器放電管的直徑比激光管的本身都還要粗，放電管的粗細(xì)跟光斑的大小所引起的衍射反應(yīng)成為一種正比，管長的長短跟放電管的輸出功率也形成了一種比例。
激光切割機(jī)在運(yùn)作過程中，激光管會(huì)產(chǎn)生很大熱量，影響了切割機(jī)正常工作，因此需要特域冷水機(jī)來冷卻激光管，確保激光切割機(jī)在恒溫狀態(tài)下正常工作。200W的激光器選用CW-6200就可以了，制冷量5.5KW;650W的激光器要選用CW-7800，制冷量能達(dá)到23KW。
激光切割機(jī)原理——切割特點(diǎn)
激光切割的優(yōu)點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)Ⅰ——效率高
因激光的傳輸特性，激光切割機(jī)上一般配有多臺(tái)數(shù)控工作臺(tái)，整個(gè)切割過程可以全部實(shí)現(xiàn)數(shù)控。操作時(shí)，只需改變數(shù)控程序，就可適用不同形狀零件的切割，既可進(jìn)行二維切割，又可實(shí)現(xiàn)三維切割。
優(yōu)點(diǎn)Ⅱ——速度快
功率為1200W的激光切割2mm厚的低碳鋼板，切割速度可達(dá)600cm/min;切割5mm厚的聚丙烯樹脂板，切割速度可達(dá)1200cm/min。材料在激光切割時(shí)不需要裝夾固定。
優(yōu)點(diǎn)Ⅲ——切割質(zhì)量好
一：激光切割切口細(xì)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(dá)±0.05mm。
二：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(jī)械加工，零部件可直接使用。
三：材料經(jīng)過激光切割后，熱影響區(qū)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(xiàn)較為規(guī)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。
優(yōu)點(diǎn)Ⅳ——切割非接觸
激光切割時(shí)割炬與工件沒有直接接觸，不存在有工具的磨損。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(shù)。激光切割過程噪聲低，振動(dòng)小，污染小。
優(yōu)點(diǎn)Ⅴ——可切割材料多
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(fù)合材料、皮革、木材及纖維等。
激光切割機(jī)原理——切割方式
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是指被加工材料的去除主要是通過使材料汽化的方式進(jìn)行的。
在汽化切割過程中，工件表而在聚焦激光束的作用下，溫度迅速上升到汽化溫度，材料大量汽化，形成的高壓蒸氣以超音速向外噴射。同時(shí)在激光作用區(qū)內(nèi)形成“孔洞”，激光束在孔洞內(nèi)多次反射又使材料對(duì)激光的吸收豐迅速提高。
在高壓蒸氣高速噴射的過程中，切縫內(nèi)的熔融物被同時(shí)從切縫處吹走，直至將工件切斷。內(nèi)于汽化切割主要靠使材料汽化的方式進(jìn)行，因此所需的功率密度很高，一般應(yīng)達(dá)到每平方厘米就有10的八次方瓦以上。
汽化切割是激光切割一些低燃點(diǎn)材料(如木材、碳和某些塑料)以及難熔性材料(如陶瓷等)時(shí)常采月的方法。用脈沖激光器切割材料時(shí)也多采用汽化切割的方法。
?、蚍磻?yīng)熔化切割
在熔化切割中.如果輔助氣流不僅僅是把切縫內(nèi)的熔融物吹走，而且還能夠與工件發(fā)生改熱反應(yīng)，使切割過程增加另—熱源，這樣的切割稱為反應(yīng)熔化切割。通常能與工件發(fā)生反應(yīng)的氣體是氧氣或含有氧氣的混合氣休。
當(dāng)工件表面溫度達(dá)到燃點(diǎn)溫度時(shí)，就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的燃燒放熱反應(yīng)，可大大提高激光切割的能力。對(duì)于低碳鋼和不銹鋼，燃燒放熱反應(yīng)提供的能量是60%。對(duì)于鈦等活性金屬，燃燒提供的能量大約是90%。
因此，反應(yīng)熔化切割與激光汽化切割、—般熔化切割相比，所需的激光功率密度更低，僅為汽化切割的1/20，熔化切割的1/2。然而，在反應(yīng)熔化切割中，內(nèi)于燃燒反應(yīng)會(huì)使材料表面發(fā)生一些化學(xué)變化，從而對(duì)工件的性能會(huì)有影響。
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在激光切割過程中，如果增加一個(gè)與激光束同軸的輔助吹氣系統(tǒng)，使切割過程中熔融物的去除不是單靠材料汽化本身，而主要是依靠高速輔助氣流的吹動(dòng)作用，將熔融物連續(xù)不斷地從切縫中吹走，這樣的切割過程稱為熔化切割。
在熔化切割過程中，工件溫度不再需要被加熱到汽化溫度以上，因此所需的激光功率密度可大大降低。由材料熔化與汽化的潛熱比可知，熔化切割所需激光功率僅為汽化切割方法的1/10。
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這種方法主要用于：半導(dǎo)體材料;利用功率密度很高的激光束在半導(dǎo)體構(gòu)料工件表面劃出—個(gè)個(gè)淺的溝槽，由于這種溝槽削弱了半導(dǎo)體材料的結(jié)合力.可通達(dá)機(jī)械的方法或振動(dòng)的方法使其斷裂。激光劃片的質(zhì)量用表面碎片和熱影響區(qū)的大小來衡量。
Ⅴ冷切割
這是一種新型加工方法，是隨著最近幾年紫外波段的高功率準(zhǔn)分子激光器的出現(xiàn)而提出來的。它的基本原理：紫外光子的能量同許多有機(jī)材料的結(jié)合能相近，用這樣的高能光子去撞擊有機(jī)材料的結(jié)合鍵并使其破裂。從而達(dá)到切割的目的。這種新技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，持別是在電子行業(yè)中的應(yīng)用會(huì)很廣。
?、鰺釕?yīng)力切割
脆性材料在激光束的加熱下.其表面易產(chǎn)生較大的應(yīng)力.從而能夠整齊、迅油地通過激光加熱的應(yīng)力點(diǎn)引起斷裂.這樣的切割過程稱為激光熱應(yīng)力切割。熱應(yīng)力切割的機(jī)理為：激光束加熱脆性材料的某一區(qū)域.使其產(chǎn)生明顯的溫度梯度。
工件表面溫度較高要發(fā)生膨脹.而工件內(nèi)層溫度較低要阻礙膨脹，結(jié)果在工件表面產(chǎn)生拉應(yīng)力.內(nèi)層產(chǎn)生徑向的擠壓應(yīng)力。當(dāng)這兩種應(yīng)力超過工件本身的斷裂極限強(qiáng)度時(shí)。便會(huì)在工件上出現(xiàn)裂紋。使得工件沿裂紋斷開。熱應(yīng)力切割的速度—股為m/s量級(jí)。這種切割方法適用于切割玻璃、陶瓷等材料。
總結(jié)：激光切割機(jī)是利用激光特性以及鏡片聚焦使能量集中將材料表面融化或氣化的一種切割技術(shù)?？梢宰龅角懈钯|(zhì)量好、速度快、切割材料多、效率高等優(yōu)點(diǎn)。
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