激光切割的主要工藝參數有切割用激光功率、切口寬度、切割速度和氣體流量。其他因素,如激光光束質量、透鏡焦距、離焦量和噴嘴等對于激光切割也有很大影響。
(1)激光功率對于材料性質而言,如果材料的表面反射率高,那么激光在照射到材料表面時,會有更多的能量被反射回去,而不是被材料吸收用于切割。因此,為了確保足夠的能量用于切割,就需要提高激光的功率。同樣地,如果材料的導熱性好,那么激光照射產生的熱量會迅速在材料內部傳導,導致切割區(qū)域的溫度難以升高到足以切割的程度。此時,也需要增加激光的功率來提高切割效率。此外,切割熔點高的材料也需要較大的激光功率和功率密度。因為熔點高的材料需要更多的能量才能使其熔化或汽化,從而達到切割的目的。
(2)切割速度在一定功率條件下,當板厚增加時,激光束需要穿透更深的材料層才能完成切割。研究表明,切割速度與切口表面粗糙度之間的關系并非簡單的線性關系,而是呈現出U形變化的趨勢。這意味著對于不同板厚的材料和不同的切割氣體壓力條件,存在一個最佳的切割速度點。在此速度下進行切割時,切口表面的粗糙度值能夠達到最小,即切口最為平滑。一般來說,切割速度越快,所需功率越大。
(3)氣體的壓力(氣體流量)在熔化切割過程中,激光束將材料加熱至熔化溫度,此時噴吹的氣體起到將液態(tài)金屬吹走的作用,從而形成切口。氣體壓力必須足夠大,才能有效地清除熔化的金屬,確保切割的連續(xù)性和切口的清晰度。氣體流量與噴嘴形式也有關系,不同的噴嘴形式對氣體的分布和流動特性有不同的影響,因此適用的氣體流量也會有所不同。在選擇噴嘴和設定氣體流量時,需要根據具體的切割需求和材料特性來進行匹配和優(yōu)化。
(4)光束質量、透鏡焦距和離焦量激光器輸出的光束模式對切割效果至關重要?;鶛M模(TEM00模)光束因其光束直徑小、能量集中,被認為是激光切割中最理想的光束模式。實驗研究表明,非氧助切割時切口寬度與激光光斑直徑幾乎相等。光斑大小與聚焦透鏡的焦距成正比,即焦距越長,光斑越大;焦距越短,光斑越小。然而,短焦距透鏡雖然能夠獲得較小的光斑,但其焦深也相應減小。焦深越小,意味著對工件表面到透鏡的距離要求也越嚴格。離焦量對切割速度和切割深度影響較大,切割過程中必須保持不變,一般離焦量選用負值,即焦點位置置于切割板面下面某一點。
(5) 噴嘴噴嘴是影響激光切割質量和效率的一個重要部件。激光切割一般采用同軸(氣流與光軸同心)噴嘴,噴嘴出口直徑大小應依據板厚加以選擇。另外,噴嘴到工件表面的距離對切割質量也有較大影響,為了保證切割過程穩(wěn)定,這個距離必須保持不變。
工業(yè)材料的激光切割
金屬材料的激光切割幾乎所有的金屬材料在室溫下都對紅外光有很高的反射率。例如,對于10.6μm的二氧化碳激光的吸收率僅有0.5%~10%。但是當功率密度超過 的聚焦光束照在金屬表面上時,能夠在微秒級的時間內使表面開始熔化。大多數熔融態(tài)的金屬的吸收率會急劇上升,一般可提高到60%~80%。因此,二氧化碳激光器已經成功地用于許多金屬的切割實踐?,F代激光切割系統可以切割的碳鋼板的最大厚度已經超過了20mm,利用氧助熔化切割方法切割碳鋼板,其切縫可控制在滿意的寬度范圍內,對薄鋼板的切縫可窄至0.1mm左右。激光切割對于不銹鋼板是一種有效的加工手段,它可以把熱影響區(qū)控制在很小的范圍內,從而很好地保持其耐腐蝕性。大多數合金結構鋼和合金工具鋼都能夠用激光切割方法得到良好的切邊質量。
鋁及鋁合金不能用氧助熔化切割,要采用熔化切割機理,鋁激光切割需要很高的功率密度以克服它對10.6μm波長的激光的高反射率。1.06μm波長的YAG激光束由于有較高的吸收率,能夠大幅度地提高鋁激光切割的切割質量和速度。飛機制造業(yè)常用的鈦及鈦合金采用氧氣作輔助氣體時化學反應激烈,切割速度較快,但是易在切邊形成氧化層,甚至引起過燒。采用惰性氣體作為輔助氣體比較穩(wěn)妥,可以確保切割質量。大多數鎳基合金也可實施氧助熔化切割。銅及銅合金反射率太高,基本上不能用10.6μm的二氧化碳激光進行切割。
(2)非金屬材料的激光切割10.6μm的二氧化碳激光束很容易被非金屬材料所吸收,它的低反射率和蒸發(fā)溫度使吸收的光能幾乎全部傳入材料內部,并在瞬間引起汽化形成孔洞,進入切割過程的良性循環(huán)。塑料、橡膠、木材、紙制品、皮革、天然織物及其他有機材料都可以用激光進行切割。但是木材的厚度需有所限制,木板厚度在75mm內,層壓板和木屑板約為25mm。無機材料中石英和陶瓷可以用激光進行切割,后者宜用控制斷裂切割且不可采用高功率。玻璃和石頭一般不宜用激光切割。其他難以用常規(guī)方法加工的材料,如復合材料、硬質合金等都可以用激光切割,但是要經過實驗選擇合理的切割機理和工藝參數。