激光切割机

大纲

•材料加工参数

• 进度解析

•激光切割机制

功率密度的影响

•功率密度是关键的过程驱动因素

•功率密度（强度）= P / pr2

材料加工的工艺变量

•其他重要的流程变量：

交互时间与经验过程图

•交互时间，t = 2 r / v

其中r =光束半径，v =速度

结构钢

切割

•激光切割能够比竞争过程更快速，更高质量地切割：

- 冲床，等离子，磨料水射流，超声波，氧燃烧，锯切和铣削

•可以自动化

•日本80％的工业激光器用于金属切割

典型的切割设置

过程特征

•这是更快的切割过程之一。

•工件不需要夹紧，但建议使用工件夹持，以避免在工作台加速时移动，以及在使用CNC程序时进行定位。

•刀具磨损为零，因为该过程是非接触式切削过程。

•可以在任何方向进行切割，极化可能会影响工艺效率。

•噪音水平低。

•该过程可以轻松实现自动化，并具有良好的自适应控制前景。

•没有昂贵的工具更改主要是“软”。那就是他们只是编程的变化。因此，该过程非常灵活。

•某些材料可以堆叠切割，但层间焊接可能存在问题。

•几乎所有工程材料都可以切割。它们可以是易碎的，易碎的，电导体或非导体，硬或软。

- 只有高反射性材料（如铝和铜）才会出现问题，但通过适当的光束控制，可以令人满意地切割。

流程响应

•切口可以具有非常窄的切口宽度，从而大大节省材料。 （切口是切口的宽度）

•与大多数热喷射工艺或其他热切割技术一样，切割边缘可以是方形而不是圆形。

•切边可以光滑，干净。它是成品切割，无需进一步清洁或处理。

•切边可以直接重新焊接，几乎没有表面处理。

•机械切割技术没有边缘毛刺。通常可以避免粘附。

•有一个非常狭窄的HAZ（热影响区）和非常薄的重新固化层，只有几微米，特别是在无渣的切割上。失真可以忽略不计。

•可以在某些材料中进行盲切割，特别是那些挥发的材料，如木材或丙烯酸。

•切割深度取决于激光功率。 10-20mm是高质量切割的当前范围。一些非常高功率的光纤激光器可以切割50毫米。

浮渣

流程机制

•光束在编程路径上移动，并且由于多种机制而发生材料移除。

•融化

- 表现出低粘度熔融相的材料，特别是金属和合金，以及热塑性塑料，通过功率密度为104Wmm-2的光束的加热作用进行切割。

- 通过惰性或活性辅助气流的剪切作用辅助熔体，导致通过称为切口（槽）的材料形成熔融通道。

•蒸发

- 适用于不易熔化的材料（某些玻璃，陶瓷和复合材料）

- 材料可以通过较高的光束功率密度（> 104Wmm-2）引起的蒸发来切割

•化学降解

- 通过光束的加热作用引起的化学降解，可以在许多有机材料中形成切口。

不同材料的材料去除机理

惰性气体熔化剪切或熔化和吹塑

熔化和吹

•一旦形成穿孔或从边缘开始切割

•足够强的气体射流可以将熔化的材料从切割的切口中吹出，以防止温度进一步升高到沸点。

•使用惰性气体喷射切割仅需要蒸发所需功率的十分之一

•请注意，熔化至蒸发的潜热比为1:20。

过程建模

熔化和吹

•组[P / tV]对于给定梁的给定材料的切割是恒定的。

削减行动

•光束入射到表面

- 大部分光束进入孔或切口

- 有些是从未熔化的表面反射出来的

- 有些人可能直接通过。

•在低速时，熔体从梁的前缘开始，如果材料足够薄，大部分梁通过切口清洁而不接触。

详细的熔化机制

•吸收有两种机制：

- 主要通过菲涅耳吸收，即光束与材料的直接相互作用 -

- 通过血浆吸收和再辐射。由于气体将其吹走，因此切割中产生的等离子体不是很显着。

•切割前沿的功率密度为Fsinq。这导致熔化，然后由来自快速流动的气流的阻力吹走。

•在切口底部，由于薄膜减速和表面张力阻止熔体离开，熔体变厚。

•气流喷射出底部的熔融液滴

切入大气层。

条纹的形成

•随着切割速率的增加，由于通过切口的损失减少，梁可以更有效地自动耦合到工件。

•梁也倾向于前进到未熔化的材料上。当发生这种情况时，功率密度增加，因为表面没有倾斜。

•熔化进行得更快，并作为一个步骤扫入切口。当台阶被扫下时，它在切割边缘留下一个称为条纹的标记。

•条纹的原因存在争议，有许多理论：

- 阶梯理论

- 临界液滴尺寸导致熔体在没有吹制之前会发生脉动

- 横向燃烧理论。

•有条件下不会发生条纹。这些受气流或通过自然条纹频率的脉冲控制。

条纹

反应融合切割

•如果辅助气体也能够放热反应，则在该过程中添加额外的热源。

•通过切口的气体不仅会将熔体拖走，还会与熔体发生反应。

•通常反应气体是氧气或某种含氧混合物。

•燃烧反应通常在顶部的点火温度下开始。

•氧化物形成并吹入切口，并将熔化物覆盖在较低的位置，从而减缓反应，甚至可能导致条纹线断裂。

反应融合。

•燃烧反应所提供的能量随材料而变化

- 温和/不锈钢含量为60％

- 使用钛等活性金属，约为90％。

•使用这种技术可以将切割速度提高一倍。

•通常，切割越快，热渗透越少，质量越好。

•由于反应性熔合，可能会发生工件的化学变化。

- 对于钛，这可能是至关重要的，因为边缘会有一些氧气，并且会更硬，更容易开裂。

- 对于低碳钢，除了表面上非常薄的再固化氧化层外，没有明显的效果。

反应融合......

•渣滓是氧化物（而不是金属）

- 低碳钢流动良好，不会粘附在母材上

- 对于不锈钢，氧化物由高熔点组分如Cr2O3（熔点~280°C）组成，因此冻结更快，导致渣滓问题。

- 铝表现出类似的行为

•由于燃烧反应，引入了进一步的条纹原因

- 在慢速切削（低于燃烧反应速度）时，将达到点火温度，并且从点火点向各个方向向外进行燃烧。

反应融合切割中的条纹

受控断裂过程

•通过激光加热的细小点引导裂缝，可以快速，整齐地切断脆性易受热破裂的材料

•激光加热一小部分表面，使其膨胀，从而在其周围产生拉伸应力

•如果这个空间有裂缝，它将起到应力提升的作用，裂缝将继续沿着热点的方向

•裂纹可以被引导的速度大约为m / s

•当裂缝接近边缘时，应力场变得更加复杂

控制骨折

• 好处：

- 玻璃切割的速度，边缘质量和精度非常好。

- 适用于直线切割

•缺点：

- 难以创建异形切割，例如制造汽车后视镜

- 难以在边缘附近建模和预测

受控断裂的加工范围

刻划

•这是一个完全或部分穿透的凹槽或线孔的过程

•这足以削弱结构，使其可以机械破碎

•通常加工的材料是硅芯片和氧化铝基板

•质量是通过缺少碎片和低热影响区来衡量的

•因此，低能量，高功率密度脉冲用于主要以蒸汽的形式去除材料

汽化切割

•蒸发切割中的聚焦光束首先将表面加热至沸点并产生锁孔。

•由于多次反射，锁孔导致吸收率突然增加，孔洞迅速加深。

•当它加深时，产生蒸汽，并将喷射物从孔或切口中吹出并稳定孔的熔融壁

•这是切割脉冲激光或切割不熔化材料（如木材，碳和某些塑料）的常用方法。

Vaoporization

•光束穿透工件的速度可以通过集总估算

热容量计算假设

- 1D热流

- 传导被忽略

- 穿透率与传导速率相似或更快

- 每单位面积每秒移除的体积=穿透速度，V m / s

汽化

冷切割

•高功率UV准分子激光器具有冷切割功能

- 紫外光子的能量为4.9eV，与许多有机材料的键能相似。

- 如果这种光子撞击了一个键，那么它可能会破裂

- 当这种辐射照射到具有足够光子通量的塑料上时，至少有一个光子/键合，然后材料在没有加热的情况下消失，留下没有碎片或边缘损坏的孔

斑点大小的影响

•主要参数是激光功率，移动速度，光斑尺寸和材料厚度。

•斑点大小有两种作用：

- 首先，光斑尺寸的减小会增加影响吸收的功率密度

- 其次，它会减少切割宽度。

•具有稳定功率和低阶模式的激光器 - 通常真正的TEMoo模式比其他模式切割得更好

波长

•波长越短，大多数金属的吸收率越高

•因此，YAG辐射优于CO2辐射，但大多数情况下的模式结构较差

YAG激光器的优势是抵消

•具有良好光束模式的光纤激光器可能具有优势。

摘要

•激光切割的基础知识

•机制

•影响激光切割的因素