激光切割原理、分类、特点
(1)激光切割的原理 激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件,使照射材料迅速熔化、蒸发、腐蚀或达到燃点,并通过与光束同轴的高速气流吹走熔融物质,从而切割工件。激光切割是热切割方法之一。激光切割的原理如下图所示。
(2)激光切割的分类 激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧切割、激光切割和控制断裂。
1)激光汽化切割 利用高能密度激光束加热工件,使温度迅速上升,在很短的时间内达到材料的沸点,材料开始蒸发,形成蒸汽。这些蒸汽的喷射速度很大,在材料上形成切口。材料的蒸发热一般都很大,所以激光蒸发切割需要很大的功率和密度。 激光汽化切割主要用于切割极薄金属材料和非金属材料(如纸、布、木材、塑料和橡胶等)。
2)激光熔化切割 激光熔化切割时,金属材料用激光加热熔化,然后用与光束同轴的喷嘴喷射非氧化气体(Ar、He、N等),液态金属依靠气体的强压力排出,形成切口。激光熔化切割不需要完全蒸发金属,所需能量仅为蒸发切割的1/10。 激光熔化切割主要用于切割不锈钢、钛、铝及其合金等不易氧化的材料或活性金属。
3)激光氧切割 类似于氧乙炔切割的激光氧切割原理。以激光为热源,以氧气等活性气体为切割气体。一方面,吹出的气体与切割金属发生氧化反应,释放大量氧化热;另一方面,熔融氧化物和熔化物从反应区吹出,在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生大量的热量,激光氧切割所需的能量仅为熔化切割的1/2,切割速度远大于激光汽化切割和熔化切割。 激光氧切割主要用于碳钢、钛钢、热处理钢等易氧化金属材料。
4)激光片和控制断裂 激光片利用高能密度激光扫描脆性材料表面,使材料热蒸发出小槽,然后施加一定压力,脆性材料沿小槽开裂。用于激光片的激光器通常是Q开关激光器CO2激光器。 控制断裂是利用激光刻槽产生的陡峭温度分布,在脆性材料中产生局部热应力,使材料沿小槽断裂。 激光切割的特点 与其它热切方法相比,激光切割具有切割速度快、质量高的特点。
具体总结如下。 ⑴ 切割质量好 由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快,因此激光切割能够获得较好的切割质量。 ① 激光切割切口狭窄,两侧平行,垂直于表面,切割部件的尺寸精度可达±0.05mm。 ② 切割表面光滑美观,表面粗糙度只有几十微米,甚至激光切割也可以作为最后一道工序,零件可以直接使用,无需机械加工。 ③ 激光切割材料后,热影响区宽度很小,切割接头附近材料的性能几乎不受影响,工件变形小,切割精度高,切割接头几何形状好,切割接头横截面形状相对规则。激光切割、氧乙炔切割和等离子切割的比较见表1,切割材料为6.2mm厚低碳钢板。 ⑵ 切割效率高 由于激光的传输特性,激光切割机一般配备多个数控工作台,整个切割过程都可以实现数控。操作时,只需改变数控程序,即可切割不同形状的零件,既可进行二维切割,又可实现三维切割。 ⑶ 切割速度快 用功率为1200W的激光切割2mm厚低碳钢板的切割速度可达600cm/min;切割5mm厚聚丙烯树脂板,切割速度可达1200cm/min。激光切割时,材料不需要夹紧固定,既节省了工装夹具,又节省了上下料的辅助时间。 ⑷ 非接触式切割 切割火炬与工件无接触,无工具磨损。加工不同形状的零件,不需要更换刀具噪音低,振动小,无污染。