无论是CO2还是灯棒式YAG激光,激光的产生原理决定了其性能受到一定的局限。大功率CO2激光器体积庞大,但激光发散角较小,可以采用飞行光路实现切割的工艺要求,但光斑粗大,能量密度低是其很大的弱点。德国大众汽车公司用功率为500W的激光器切割形状复杂的车身薄板及各种曲面件。灯棒式YAG激光的光斑能量密度可以做到远小于CO2激光器,但光束发散角很大。即使是国内较具代表性的华俄激光的灯棒式YAG激光,也只能实现半飞行光路,难以做到全飞行光路实现切割的工艺要求。
激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。激光汽化切割利用高能量密度的激光束加热工件,使温度迅速上升,在非常短的时间内达到材料的沸点,材料开始汽化,形成蒸气。激光切割作为一种精密的加工方法,几乎可以切割所有的材料,包括薄金属板的二维切割或三维切割。这些蒸气的喷出速度很大,在蒸气喷出的同时,在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大,所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。
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 激光切割切口细窄,切缝两边平行并且与表面垂直,切割零件的尺寸精度可达±0.05mm。② 切割表面光洁美观,表面粗糙度只有几十微米,甚至激光切割可以作为后一道工序,无需机械加工,零部件可直接使用。钢切割时利用氧作为辅助汽体与熔融金属产生放热化学反应氧化材料,同时帮助吹走割缝内的熔渣。③ 材料经过激光切割后,热影响区宽度很小,切缝附近材料的性能也几乎不受影响,并且工件变形小,切割精度高,切缝的几何形状好,切缝横截面形状呈现较为规则的长方形。激光切割、氧乙i炔切割和等离子切割方法的比较见表1,切割材料为6.2mm厚的低碳钢板。
切缝窄工件变形小激光束聚焦成很小的光点,使焦点处达到很高的功率密度。这时光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分,材料很快加热至汽化程度,蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动,使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。喷吹出的气体一方面与切割金属作用,发生氧化反应,放出大量的氧化热。切边受热影响很小,基本没有工件变形。切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助汽体。钢切割时利用氧作为辅助汽体与熔融金属产生放热化学反应氧化材料,同时帮助吹走割缝内的熔渣。
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