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总结激光切割机种类

      激光切割机大致可分为汽化切割机、熔化切割机、氧助熔化切割机和控制断裂切割机,其中以氧助熔化切割机应用最广,根据切割材料可分为金属激光切割机和非金属激光切割机

1.汽化切割机

当高功率密度的激光照射到工件表面时,材料在极短的时间内被加热至汽化点,部分材料化作蒸气逸去,形成割缝,其功率密度一般为10*W/cm级,是熔化切割机制所需能量的10倍,这是大部分有机材料和陶瓷所采用的切割方式。汽化切割机理可具体描述如下:

(1)激光束照射工件表面,光束能量部分被反射,剩余部分被材料吸取,反射率随着表面继续加热而下降。

工件表温升高到材料沸点温度的速度非常快,足以避免热传导造成的熔化。蒸气从工件表面以近声速飞快逸出,其加速力在材料内部产生应波,当功率密度大于10°W/cm2时,应力波在材料内的反射会导致脆性材料碎裂,同时它也升高蒸发前沿压力,提高汽化温度。

(4)蒸气随身带走熔化质点和冲刷碎屑,形成孔洞,汽化过程中,60%的材料以熔滴形式被去除。

(5)当功率密度大于108W/cm2时,形成类似于点载荷的应力场,应力波在材料内部反射如发生过热,来自孔洞的热蒸气由于高的电子密度会反射和吸取入射激光束。这里存在一个最佳功率密度,对不锈钢,其值为5×108W/cm2,超此值,蒸气吸取阻挡了增加的功率,吸取波开始从工件表面朝光束方向移开。

(7)对某些光束局部可透的材料,热量在内部吸取,蒸发前沿发生内沸腾,以表面下爆炸形式去除材料。

2.熔化切割机

利用一定功率密度的激光加热熔化工件,同时借与光束同轴的非氧化性辅助气流把孔洞周围的熔融材料吹除、带走,形成割缝。其所需功率密度约为汽化切割的1/10。熔化切割的机理可概括如下:

 (1)激光束射到工件表面,除反射损失外,剩下能量被吸取,加热材料并蒸发出小孔。

(2)小孔形成后,作为黑体吸取所有光束能量,被熔化金属壁所包围,依靠蒸气流高速流动,使熔壁保持相对稳定。

(3)熔化等温线贯穿工件,依靠辅助气流喷射压力将熔化材料吹走。随着工件移动,小孔横移并留下一条切缝,激光束继续沿着这条缝的前沿照射,熔化材料持续或脉动地从缝内被吹掉。对薄板材料,切割速度过慢会使大部分激光束直接通过切口白白损失能量,速度提高使更多光束照射材料,增加与材料的藕合功率,获得保证切割质量的较宽参数调节区。对厚板材料,由于激光蒸发作用或熔化产物移去速度不够快,光束在割缝内材料切面上多次反射,只要熔化产物能在它被冷气流凝团前除去,切割过程将继续进行。所有激光切割口边缘都呈条纹状,其原因是:切割过程开始于导致氧燃烧的某功率值,而在较低的功率水平停止;切割断面陡立,以致在它上面的功率密度不能持续地维持熔化过程,而在切割面形成台阶,使切割面在切割过程中间歇地前进;切割产生的吸取或反射等离子或烟雾可引起间歇效应。

3.氧助熔化切割机

利用激光将工件加热至其燃点,利用氧或其他活性气体使材料燃烧,由于热基质的点燃,除激光能量外的另一热源同时产生,同时作为切割热源。氧助溶化切割其机制较为复杂,简要分析如下:

(1)在激光照射下,材料表面加热到达燃点温度。随之与氧气接触,发生激烈燃烧反应,放出大量热量。在此热量作用下,材料内部形成充满蒸气的小孔。小孔周围被熔融金属壁所包围。

(2)蒸气流运动使周围熔融金属壁向前移动,并发生热量和物质转移。

(3)氧和金属的燃烧速度受控于燃烧物质转移成熔渣,和氧气扩散通过熔渣到达点火前沿的速度。氧气流速越高,燃烧化学反应和材料去除速度也越快。同时,也导致切缝出口处反应产物—氧化物的快速冷却。

(4)最后达到燃点温度的区域,氧气流作为冷却剂,缩小热影响区。

(5)显然,氧助切割存在着两个热源:激光照射能和氧一金属放热反应能。粗略估计,切割钢时,氧放热反应提供的能量要占全部切割能量的60%左右。很明显,与惰性气体比较,使用氧作为辅助气体可获得较高的切割速度。

(6)在有两个热源的氧助切割过程中,存在着两个切割区域:一个区域是氧燃烧速度高于光束行进速度,这时割缝宽且粗糙;另一个区域是激光束行进速度比氧燃烧速度快,所得切缝狭窄而光滑。这两个区域间的转折是个突变。

4.控制断裂切割机

通过激光束加热,易受热破坏的脆性材料高速、可控地切断,称为控制断裂切割。其切割机理可概括为:激光束加热脆性材料小块区域,引起温度梯度剧变和随之而来的严重热变形,使材料形成裂缝。控制断裂切割速度快,只需很小的激光功率,功率太高会造成工件表面熔化,并破坏切缝边缘。控制断裂切割主要可控参数是激光功率和光斑尺寸。

 

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