第四章+激光切割-3~4h-F.ppt

1、第四章 激光切割,激光切割原理 激光切割工艺,4.1 概述,激光切割的基本过程 用聚焦而成的高能量密度激光束将工件熔化或气化，并用辅助气体将熔化物或氧化物吹除而形成切口 激光束特点： TEM00或低阶模 工业应用的40,辅助气体的作用,吹除熔渣 氧气：提供热能；惰性气体：保护切缝 保护聚焦镜不被飞溅污染 吹除金属蒸汽及等离子体，利于激光的吸收 非金属一般用空气切割,激光切割的特点,切割质量好： 切缝窄0.10.3mm 热影响区小0.010.1mm 表面光洁度好：可直接使用 精度高：几何形状好，可切锐角 切割效率高：速度快，多工位操作 可切各种材料：几乎可切所有金属和非金属 其他：可选择任意起点

2、和终点、易于数控等,各种切割样品,厚板切割图片,铝材,非金属材料切割,木材,有机玻璃切割样品,切割实况录像,二维平面切割 三维切割 厚板切割,4.2 激光切割的分类及机理,气化切割 108w/cm2，材料表面气化、蒸汽喷出带走熔融材料 脉冲激光器、薄片和无液相的材料(木材、塑料和陶瓷) 熔化切割(惰性气体) 107w/cm2, 与深熔焊类似：加热熔化、气体吹除、喷嘴与光轴同心 应用：不能(易)氧化、有光泽要求和特殊性能要求的，如不锈钢、钛、铝等,反应熔化切割 过程：光束加热到燃点材料与氧气反应放热进一步提供能量熔化金属辅助气流吹除 切钢时：FeO、Fe2O3、Fe3O4，氧化产热占60以上 功

3、率密度较低5106w/cm2 高效的应用广泛的切割方式 划片与控制断裂 类似金刚石划玻璃,(反应)熔化切割原理示意图,四种切割方式比较,国外著名公司网址,Trumpf: Rofin: www.rofin- Prima: Fraunhofer: PRC: TWI: .uk,4.3 激光切割工艺,切割用激光 气流与喷嘴 切割速度 光束的偏振 其他因素,切割用激光,切割用激光的要求： 高的功率密度和精细的切口要求小的聚焦光斑 不同方向效果一致：绕光轴对称性和圆偏振性 快轴流CO2激光器易得到稳定的近基模光束 TEM01、 TEM10、 TEM01 TEM10 线偏振光经圆偏振镜转换 功率一般不大,切

4、割气流与喷嘴,激光切割对气流的基本要求: 进入切口的气流量要大,速度要高. (与切割压力有关) 切割压力在板厚、功率等条件一定时有一最佳值 板厚提高、速度加大时切割压力要提高 与供气压力及切割喷嘴有关,常见的切割喷嘴,传统喷嘴提高供气压力时产生激波,激波的产生： Pn/Pa1.89时(双原子气体)，气流突然膨胀 正激波的危害： 气流密度突变，折射率改变，焦点位置改变 切割压力比供气压力减小很多，随距离变化很快 产生涡流(不利于排渣，并可能产生等离子体) 提高供气压力，不一定能提高速度和质量，还可能产生许多不良影响,Pn/Pa=3时,Pn/Pa4时正激波,切割压力,涡流,切割速度,一定切割条件下

5、：有一最佳切割范围 速度过低：材料过烧、切口过宽和热影响区过大 速度过高：挂渣或切不穿 拐角处的处理： 绕圈 变连续为脉冲：峰值不变、脉宽可调 调节速度,绕圈处理拐角方式,光束的偏振,电矢量的方向为激光的偏振方向 不同的入射角下反射率不同(Rs和Rp) 入射角较小时，反射率不受偏振特性的影响 激光切割时可能会出现大入射角，线偏振光在不同的方向切割时可能会出现不同的效果三个入射面的吸收系数可能出现较大差异 解决方法：转换为圆偏振光,自然光和偏振光,一、横波的偏振性,振动面：光矢量E与传播方向组成的平面。,偏振: E的振动方向对传播方向的不对称性。,光矢量 振动面,只有横波才有偏振现象,偏振态:

6、光矢量在与光传播方向垂直的平面内的振动状态。,二、线偏振光,线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解,线偏振光的表示法：,二. 自然光,一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。,自然光的表示法：,偏振光反射率与入射角的关系,其他因素,透镜焦距F： 聚焦半径D与F呈正比，要求F小好 厚板切割时要求长焦深（焦深Z0定义） 离焦量的大小 等离子体的影响,4.4 常见材料的激光切割,碳钢：易切、一般用氧气 铁的氧化反应放出大量的热 氧气极易穿过氧化铁层进入材料内部 氧化熔融物粘度低，熔渣易吹除 不锈钢：1020%Cr Cr 的氧化物阻止氧气进入，但不能完全阻止，熔化层不完全氧化

7、不完全氧化物粘附力大，不易吹除 常用高压氮气进行切割,铝合金： 高反射率和高导热率、致密的氧化物 起切难 有效方法：采用高频高峰值功率激光 钛合金： 惰性气体或氧气(产热更高) 吹氧切钛将产生硬脆切口（富氧层） 惰性气体可有效减少氧化污染,可获得清洁、无氧化的切口,高温合金： 对于镍基或钴基高温和金，多采用高压无氧切割,非金属材料的激光切割,机理：切割区的熔化、气化或化学裂解 热塑性聚合物：切口材料 熔化并被气流吹除 热固性聚合物和木材：切割区发生化学裂变（木材：干馏），裂变产物被气流吹走，切口无熔化流动，切口平滑。 非金属材料对CO2激光具有高的吸收率,有机玻璃：最为常用、气化物被低压气流吹走（10kpa空气） 气压过高，在熔融材料总形成涡流，使材料 固化在切口上 气压过低，分解产物甲基丙稀酸甲脂着火燃烧 陶瓷材料的切割： 一般方法难以加工处理 划痕切割、穿透切割,木材： 两种机制：瞬间蒸发和燃烧，取决于功率密度 瞬间蒸发是理想的切割机制 可切木材、夹层板和木屑板 可切任何图形、切口精细、切边没有撕切和毛边，切边略呈碳黑 应用：包装行业所用模切板,塑料： 原理：气化胶合剂，破坏聚合体材料聚合链 低熔热塑材料：可获得无毛刺底边、