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激光切割的基本方法及机理

发布者:TPS  更新日期:2018-08-30  点击次数:1494次

从激光切割各种材料的物理过程来看.激光切割大致分为以下六类;


1、汽化切割

汽化切割,指被加工材料的去除主要是通过使材料汽化的方式进行的。在汽化切割过程中,工件表而在聚焦激光束的作用下;,温度迅速上升到汽化温度,材料大量汽化,形成的高压蒸气以超音速向外喷射。同时在激光作用区内形成“孔洞”,激光束在孔洞内多次反射又使材料对激光的吸收丰迅速提高。

在高压蒸气高速喷射的过程中,切缝内的熔融物被同时从切缝处吹走,直至将工件切断。内于汽化切割主要靠使材料汽化的方式进行,因此所需的功率密度很高,一般应达到每平方厘米就有10的八次方瓦以上。汽化切割是激光切割 一些低燃点材料(如木材、碳和某些塑料)以及难熔性材料(如陶瓷等)时常采月的方法。用脉冲激光器切割材料时也多采用汽化切割的方法。

 

2、熔化切割

在激光切割过程中,如果增加一个与激光束同轴的辅助吹气系统,使切割过程中熔融物的去除不是单靠材料汽化本身,而主要是依靠高速辅助气流的吹动作用,将熔融物连续不断地从切缝中吹走,这样的切割过程称为熔化切割。

在熔化切割过程中,工件温度不再需要被加热到汽化温度以上,因此所需的激光功率密度可大大降低。由材料熔化与汽化的潜热比可知,熔化切割所需激光功率仅为汽化切割方法的1/10。

 

3、反应熔化切割

在熔化切割中.如果辅助气流不仅仅是把切缝内的熔融物吹走,而且还能够与工件发生改热反应,使切割过程增加另—热源,这样的切割称为反应熔化切割。通常能与工件发生反应的气体是氧气或含有氧气的混合气休。

当工件表面温度达到燃点温度时,就会发生强烈的燃烧放热反应,可大大提高激光切割的能力。对于低碳钢和不锈钢,燃烧放热反应提供的能量是60%。对于钛等活性金属,燃烧提供的能量大约是90%。

因此,反应熔化切割与激光汽化切割、—般熔化切割相比,所需的激光功率密度更低,仅为汽化切割的1/20,熔化切割的1/2。然而,在反应熔化切割中,内于燃烧反应会使材料表面发生一些化学变化,从而对工件的性能会有影响。

例如对于钛.在切缝边缘会形成非常硬的氧化层,该氧化层极易破裂,影响很严重,对于低碳钢,除了在切口表面形成一层很薄的改性氧化层外.其它影响很小。而且,这种氧化物熔渣的。流动性较好。不像金属熔渣那样紧附在基体金属之上。对于不诱钢.生成的氧化物主要出由高熔点材料组成。

 

4、热应力切割

脆性材料在激光束的加热下.其表面易产生较大的应力.从而能够整齐、迅油地通过激光加热的应力点引起断裂.这样的切割过程称为激光热应力切割。热应力切割的机理为:激光束加热脆性材料的某一区域.使其产生明显的温度梯度。

工件表面温度较高要发生膨胀.而工件内层温度较低要阻碍膨胀,结果在工件表面产生拉应力.内层产生径向的挤压应力。当这两种应力超过工件本身的断裂极限强度时。便会在工件上出现裂纹。出于这种裂纹的发展。

使得工件沿裂纹断开。热应力切割的速度—股为m/s量级。这种切割方法适用于切割玻璃、陶瓷等材料.实验表面热应力切割玻璃的效果非常好.切割速度、切边质量和精度郁很高。热应力切割所需的激光功率很小。功率太高会引起工件表面熔化。并破坏切边质量。

 

5、激光划片

这种方法主要用于:半导体材料;利用功率密度很高的激光束在半导体构料工件表面划出—个个浅的沟槽,由于这种沟槽削弱了半导体材料的结合力.可通达机械的方法或振动的方法使其断裂。激光划片的质量用表面碎片和热影响区的大小来衡量。

 

6、冷切割

这是一种新型加工方法,是随着最近几年紫外波段的高功率准分子激光器的出现而提出来的。  它的基本原理:紫外光子的能量同许多有机材料的结合能相近,用这样的高能光子去撞击有机材料的结合键并使其破裂。从而达到切割的目的。这种新技术具有广阔的应用前景,持别是在电子行业中的应用会很广。



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