激光气化及切割应用

设计：李波激光与物质相互作用任课老师：秦应雄讲师电话：87541774/62274402Email:[e-mail]-MatterInteraction本科课程设计：李波3.6、激光切割技术1、激光切割的原理及分类2、激光切割的影响因素3、激光切割系统4、激光切割的特点5、激光切割的典型应用设计：李波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，在超过激光域值的激光功率密度的前提下，激光束的能量以及活性气体辅助切割过程所附加的化学反应热能全部被材料吸收，由此引起激光作用点的温度急剧上升。达到沸点后材料开始汽化，并形成孔洞，随着光束与工件的相对运动，最终使材料形成切缝，切缝处的熔渣被一定的辅助气体吹除。激光切割可分为汽化切割，熔化切割和氧助燃切割。以氧助燃切割为应用最广。从切割不同材料可分为金属激光切割和非金属激光切割。CuttingdirectionAssistantgasnozzleSpacebetweennozzle&workpieceMeltmaterialCuttingslotGasflow设计：李波(1)汽化切割汽化切割是激光束加热工件至沸点以上的温度，部分材料以蒸汽形式逸出，部分材料作为喷射物从切割底部吹走，其所需的激光切割能量是熔化切割的10倍。其机制如下：①激光加热材料，部分反射，部分吸收，材料反射率随温度升高而下降。②激光作用区温升快，足以避免热传导造成熔化。③蒸汽从工件表面以近似声速飞快逸出。汽化切割只应用于那些不能熔化的木材，塑料和碳素等材料。飞秒激光切割属于气化切割.设计：李波(2)熔化切割熔化切割是当激光束功率密度超过一定值时，工件内部蒸发形成孔洞，然后与光轴式吹以辅助惰性气体，把孔洞周围的熔融材料驱除带走。熔化切割的机制为：①激光束照射工件，除反射外其余能量加热材料并蒸发成小孔。②一旦小孔形成，它以黑体全部吸收光能，小孔被熔化金属壁所包围，依靠蒸汽流高速流动使熔壁保持相对稳定。③熔化等温线贯穿工件，依靠辅助吹气将熔化材料吹走。④随工件的移动，小孔横移一条切缝。设计：李波(3)氧助熔化切割氧助熔化切割的机理是：①在激光照射下，材料达到Tm温度，随之与氧接触，发生剧烈燃烧反应，放出大量热量，在激光和此热量共同作用下材料内部形成充满蒸汽的小孔，小孔周围被熔融气体包围；②蒸汽流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燃烧物质转换成熔渣的限制，氧气扩散通过熔渣达到点火前沿的速度，氧气流速越高，燃烧的化学反应越快；④在未达到燃烧温度的区域，氧气流作为冷却，缩小切割热影响区。⑤氧助切割存在激光辐射和化学反应热两个热源。设计：李波2、激光切割的影响因素（1）材料特性（2）激光模式（3）切割速度（4）焦点位置（5）辅助气体压力除了以上4个最重要的变量以外，可能对切割质量产生影响的因素还包括光束参数（模式和功率、激光束的偏振、激光束的聚焦、脉冲波光束）和工件特性（材料表面反射率、材料表面状态），以及割炬和喷嘴、外光路系统、工件固定等其他因素。设计：李波(1)材料特性设计：李波（2）激光横向模式GaussianmodeLow-ordermodeMultimodeSurfaceheattreatmentCuttingorwelding设计：李波激光输出方式---PRC设计：李波(3)激光功率与切割速度对于一定板厚，通常激光切割速度随激光功率呈线形增加。设计：李波切缝宽度和热影响区均随激光切速的增加而减少，并且切缝下表面的宽度和热影响区最小。对于中碳钢，最好的切割质量和最小的热影响区为P/V～70J.mm-1。设计：李波（4）切割粗糙度对于金属激光切割的切口粗糙度，一般是上半段最好，中段次之，下段较差。切口粗糙度与切割的切口有关。设计：李波（5）焦点位置对表面粗糙度的影响工件至聚焦透镜的距离与焦距的比值a0在0.988a01.003范围。例如，激光切割2.3mm的低碳钢板时，采用负离焦0.3至0.7mm为佳。设计：李波（6）聚焦镜设计：李波（7）喷嘴直径与切割速度的关系氧气流应以超声速的收敛型气流最好，以免切口下段扩大。对某种具体激光切割存在一个最佳的喷嘴直径。在作者的实验条件下，喷嘴直径以1.5mm最好。设计：李波（8）吹氧压力的影响在不同激光功率及不同厚度情况，吹氧压力也存在一个最佳值。设计：李波（9）激光偏振态对激光切割的影响由图中可看到，采用圆偏振光，切口平直，与切割方向无关。切割系统一般加45度反射的圆偏振镜。设计：李波3、激光切割特点质量优势技术特质实际应用1．切割缝边缘热影响区小激光切割需要的总能量少大型电机硅钢铁芯下料2．激光切割的切缝窄小激光切割的能量高度集中石油管的过滤缝切割3．切割精度高、工件变形小激光聚焦光斑的直径小汽缸垫的切割成型4．切割的重复性好，误差小数控精密切割切割复杂形状的零件5．激光切割面清洁,不挂渣切割的物理冶金过程完善装潢用切割成型金刚石锯片切割设计：李波设计：李波设计：李波（2）PRCSTS轴快流CO2laserfromU.S.TEM00Mode(高斯模式)1000-3000WattsDMode(DimodalBeam)1000-4000WattsQMode(QuadramodalBeam)2500-6000WattsSTS1000STS1500STS1800STS2000STS2200STS2500STS3000STS3500STS4000STS5000FH6000Type:设计：李波(3)华工恒信Lance轴快流激光器LANCESeriesFastFlowCO2LasersLaserModeTEM00+01(1000--4000Watts)设计：李波•CNC控制系统Self-rightingsystemMovingworkstationHand-holdtelecontrolIlluminationofworkareaChineseWindowscircumstanceFunctionofre-trackModemdiagnoseandmaintainFarspacediagnoseandserviceExpertcuttingapparatussystemDialogicfiguredisplayandeditgratingholdingsystemInnermistakenotesMultitaskworkingavailableAlarmequipmentFigurestoreandsoon设计：李波激光切割过程设计：李波激光切割录像设计：李波激光切割样品1设计：李波激光切割样品2设计：李波激光切割组合木板设计：李波激光切割消音金刚石锯片设计：李波激光切割消音金刚石锯片设计：李波锯片基体激光切割优化工艺参数锯片规格材料厚度（mm）离焦量（mm）激光功率（W）切割速度(m/min)氮气压力（MPa）Φ1051.3-0.3390040.4～0.6Φ2301.8-0.45100040.4～0.6Φ3002.0-0.5120040.4～0.6Φ3502.2-0.55140040.4～0.6Φ4002.8-0.625200040.4～0.6Φ5003.2-0.8250040.4～0.6设计：李波