激光切割

激光切割利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，使材料被激光照射部分的温度在极短的时间内上升到几千甚至几万度，迅速融化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而将工件割开。

激光切割

• 切割原理
  • 
  • 利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，使材料被激光照射部分的温度在极短的时间内上升到几千甚至几万度，迅速融化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而将工件割开
  • 切割区
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    • 激光切割过程发生在切口终端一个接近垂直的表面，称为烧蚀前沿
    • 激光和气流从该处进入切口，激光能量一部分被烧蚀前沿所吸收，一部分穿过切口或经烧蚀前沿向切口空间反射，
    • 烧蚀前沿由于吸收激光和切割过程中的放热反应的能量而融化或汽化
    • 部分热量由热传导传入基体材料，通过辐射损耗以及对流换热被气流带走
• 激光切割过程
  • 氧助熔化切割
    • 利用激光束将材料加热到燃点，并与辅助气体（氧气）发生燃烧反应
    • 所产生的热量与激光束共同作为切割热源，融化切口部分的材料
• 分类
  • 激光汽化切割
    • 过程
      • 利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，材料在非常短的时间内达到沸点，开始汽化，形成蒸汽。
      • 蒸汽的喷出速度很快，在蒸汽喷出的同时，在材料上形成切口
    • 材料的汽化热一般比较大，激光汽化切割需要很大的功率和功率密度（108W/cm3）
      • 是融化切割所需的10倍
  • 激光融化切割
    • 过程
      • 用激光加热使金属融化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷出非氧化性气体（Ar、He、N2）， 依靠强大的气压使液态金属排出，形成切口。
    • 所需能量少
  • 激光氧气助熔切割
    • 所需能量只是熔化切割的1/2
    • 切割速度远远大于前两者
• 切割质量的影响因素
  • 激光输出功率
    • 功率密度
      • 直接影响功率密度
    • 切割速度
      • 切割速度与激光输出功率密度成正比
    • 切缝宽度
      • 随之增大
  • 切割速度
    • 意义
      • 切割速度变化，意味着激光与材料相互作用时间的变化，使材料在单位面积上得到的激光能量发生改变
    • 低速
      • 切割速度较低时，激光与材料作用时间过长，影响范围过大，使切缝周围的材料也被熔化或汽化
        • 切缝较宽，切边粗糙、切割质量较差
    • 高速
      • 
      • 其他参数不变，切割速度越快，激光照射材料的时间越短，材料单位面积上得到的能量越少
      • 速度增加到一个合适范围时
        • 激光能量密度恰好可以按切割要求将材料完全去除
          • 形成光滑均匀宽度适中的切缝
      • 速度过大时
        • 激光能量密度就降低，不足以将材料完全去除
          • 切缝宽度较窄，切割深度达不到要求
    • 选择居中的切割速度
  • 焦点位置
    • 影响
      • 直接影响到切缝宽度大小，因为焦点处功率密度最高
      • 当焦点处于最佳位置时
        • 切缝宽度最小
        • 切割深度最大
        • 切边质量最好
        • 切割效率最高
      • 切缝侧壁形貌
    • 描述
      • 离焦量
        • 焦点到材料表面的垂直距离
          • 上方为正
          • 下方为负
    • 位置
      • 一般位于材料表面 或稍微往下
      • 焦点位置必须恒定
        • 稳定的切割质量
      • 一般在材料表面上下一定范围内都可以较好的切割效果
  • 辅助气体
    • 类型
      • 氧气
      • 氮气
      • 空气
    • 作用
      • 从切割区吹落熔渣
      • 冷却切割材料
      • 减少热影响层
      • 保证焦透镜不受污染
    • 纯度
      • 不小于99.5%
    • 压力
      • 太小
        • 清除不掉熔渣，切不透，出现大量熔渣
      • 适中
        • 压力增大，动量增大，无挂渣的切割速度增加
      • 太大
        • 切割面反而粗糙
• 切割质量评定标准
  • 工件尺寸精度
    • 激光切割的热变形很小
      • 精度取决于设备
    • 精度可达μm级
  • 切口质量
    • 切口宽度
      • 取决于
        • 光束模式
        • 聚焦后光斑直径
    • 切割面的粗糙度
    • 切割面波纹
    • 热影响层
      • 热影响层的材料虽然没有被熔化，但是吸收了激光的能量
  • 切口缺陷
    • 挂渣
    • 过烧
      • 原因
        • 激光功率过大或 切割速度过慢
        • 材料吸收的激光能量会大量累积
        • 工件的熔化范围大于高压气流所能吹除的范围
        • 熔融金属未能被完全吹走，黏附于切割面上，使切割面呈现出不规则的形态