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激光切割的四种主要工艺原理和特点的比较
发布者:地平线激光 浏览:155次发布时间:2020-03-31

二氧化碳激光器切割技术在我国工业生产中得到了非常广泛的应用,并且在高速切割和厚钢板的切割技术领域仍具有巨大的发展潜力。激光切割工艺主要包括熔化切割、汽化切割、氧化熔化、和控制断裂。下面我们就来讨论一下这四种工艺各自的原理和特点。

熔化切割

熔化切割是用入射激光束加热材料,当激光束功率密度超过某一值后,材料被照射部位会开始内部蒸发,从而形成很小的孔洞。这样的孔洞会进一步吸收激光束的能量,使将其保卫的金属壁熔化。与此同时,与光束同轴的辅助气流把孔洞周围的熔融材料带走。随着工件的移动,就可以在金属表面切割出一条切缝。

汽化切割

汽化切割需要的激光束功率比熔化切割更高,在这样的光束照射下,可以使被切割材料未经熔化而直接达到沸点的温度。这样,材料就能够以蒸汽的状态消失,蒸汽随身带走熔化质点和冲刷碎屑,从而形成孔洞。汽化过程中,大约40%的材料是化作蒸汽消失的,而另有60%的材料是以熔滴的形式被气流驱除的,这部分材料将会作为喷出物从切缝底部吹走。在加工过程中,可能会遇到很多不能熔化的材料,比如木材和碳素材料等,都可以通过这种切割工艺来加工。

氧化熔化

熔化切割是使用氧气等活性气体作为辅助气流。在切割时,使材料表面在激光束的照射下被加热到燃点温度,进而与氧气发生激烈的燃烧反应,并且释放出大量的热。这些热量将对材料加热,使其内部形成充满蒸汽的小孔,并且将包围小孔的金属壁熔化。

金属在氧气中的燃烧速度是通过燃烧物质转移成熔渣来控制的,因为氧气扩散通过熔渣到达点火前沿的快慢将直接决定燃烧速度。氧气流速越高,燃烧反应就越激烈,同时去除熔渣的速度也越快,就能够实现更高的切割速度。当然,氧气流速也并不是越高越好,因为流速过快有可能会导致切缝出口处反应产物即金属氧化物发生快速冷却,这对于切割质量是非常不利的。

这种切割工艺中,金属的熔化存在两个热源,一个是激光照射产生的热量,另一个是氧与金属化学反应产生的热量。据估计,切割钢材料时,氧化反应放出的热量要占切割所需全部能量的60%左右。因此,对于氧气的燃烧速度和激光束的移动速度要经过精密的计算,实现完美配合。如果氧的燃烧速度高于激光束的移动速度,割缝显得宽而粗糙。如果激光束移动的速度比氧的燃烧速度快,则所得切缝狭而光滑。

控制断裂

控制断裂是通过激光束加热,使材料进行高速、可控的切断,这种工艺对于容易受热破坏的脆性材料是非常有效的。具体过程是:用激光束加热脆性材料的小块区域,引起该区域较大的热梯度和严重的机械变形,导致材料形成裂缝。只要保持均衡的加热梯度,激光束就可以引导裂缝在任何需要的方向产生。

值得注意的是,这种控制断裂切割不适合切割锐角和角边切缝。切割特大封闭外形也不容易获得成功。控制断裂切割速度快,不需要太高的功率,否则会引起工件表面熔化,破坏切缝边缘。其主要控制参数是激光功率和光斑尺寸大小。