激光切割的原理和方法

激光切割的原理

激光束聚焦成很小的光斑（其最小直徑可小于0.1mm），使光斑處達(dá)到很高的功率密度，光斑下材料很快被加熱至氣化溫度，蒸發(fā)形成孔洞，追著光速與材料相對(duì)移動(dòng)，使孔洞連續(xù)，形成寬度很窄的切縫。

激光切割特點(diǎn)

速度快，切口光滑平整，一般無(wú)需后續(xù)加工；切割熱影響區(qū)小，板材變形小，切縫窄（0.1mm~0.3mm）；切口沒(méi)有機(jī)械應(yīng)力，無(wú)剪切毛刺；加工精度高，重復(fù)性好，不損傷材料表面；數(shù)控編程，可加工任意的平面圖，可以對(duì)幅面很大的整板切割，無(wú)需開模具，經(jīng)濟(jì)省時(shí)。激光可切割的材料很多，包括有機(jī)玻璃、木板、塑料等非金屬板材，以及不銹鋼、碳鋼、合金鋼、鋁板等多種金屬材料。脈沖激光適用于金屬材料，連續(xù)激光適用于非金屬材料，后者是激光切割技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

激光切割的方法

1、熔化切割

在激光熔化切割中，工件被局部熔化后借助氣流把熔化的材料噴射出去。因?yàn)椴牧系霓D(zhuǎn)移只發(fā)生在其液態(tài)情況下，所以該過(guò)程被稱作激光熔化切割。

激光光束配上高純惰性切割氣體促使熔化的材料離開割縫，而氣體本身不參。于切割。激光熔化切割可以得到比氣化切割更高的切割速度。氣化所需的能量通常高于把材料熔化所需的能量。在激光熔化切割中，激光光束只被部分吸收。最大切割速度隨著激光功率的增加而增加，隨著板材厚度的增加和材料熔化溫度的增加而幾乎反比例地減小。在激光功率一定的情況下，限制因數(shù)就是割縫處的氣壓和材料的熱傳導(dǎo)率。激光熔化切割對(duì)于鐵制材料和鈦金屬可以得到無(wú)氧化切口。產(chǎn)生熔化但不到氣化的激光功率密度，對(duì)于鋼材料來(lái)說(shuō)，在104W/cm2~105W/cm2之間。

2、汽化切割

在激光氣化切割過(guò)程中，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。此情況下需要非常高的激光功率。為了防止材料蒸氣冷凝到割縫壁上，材料的厚度一定不要大大超過(guò)激光光束的直徑。該加工因而只適合于應(yīng)用在必須避免有熔化材料排除的情況下。該加工實(shí)際上只用于鐵基合金很小的使用領(lǐng)域。

該加工不能用于，像木材和某些陶瓷等，那些沒(méi)有熔化狀態(tài)因而不太可能讓材料蒸氣再凝結(jié)的材料。另外，這些材料通常要達(dá)到更厚的切口。在激光氣化切割中，最優(yōu)光束聚焦取決于材料厚度和光束質(zhì)量。激光功率和氣化熱對(duì)最優(yōu)焦點(diǎn)位置只有一定的影響。在板材厚度一定的情況下，最大切割速度反比于材料的氣化溫度。所需的激光功率密度要大于108W/cm2，并且取決于材料、切割深度和光束焦點(diǎn)位置。在板材厚度一定的情況下，假設(shè)有足夠的激光功率，最大切割速度受到氣體射流速度的限制。

3、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。

4、氧化熔化切割（激光火焰切割）

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，使材料進(jìn)-步加熱，稱為氧化熔化切割。由于此效應(yīng)，對(duì)于相同厚度的結(jié)構(gòu)鋼，采用該方法可得到的切割速率比熔化切割要高。另一方面，該方法和熔化切割相比可能切口質(zhì)量更差。實(shí)際上它