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熔化切割一般使用惰性氣體,如果代之以氧氣或其它活性氣體,材料在激光束的照射下被點(diǎn)燃,與氧氣發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生另一熱源,使材料進(jìn)一步加熱,稱為氧化熔化切割。
由于此效應(yīng),對于相同厚度的結(jié)構(gòu)鋼,采用該方法可得到的切割速率比熔化切割要高。如果在加工過程中,各軸的整體響應(yīng)太慢,或者某些位置出現(xiàn)一個軸偏差小,另一個軸偏差大的情況,則就會出現(xiàn)加工輪廓變形的問題。另一方面,該方法和熔化切割相比可能切口質(zhì)量更差。實(shí)際上它會生成更寬的割縫、明顯的粗糙度、增加的熱影響區(qū)和更差的邊緣質(zhì)量。激光火焰切割在加工精密模型和尖角時是不好的(有燒掉尖角的危險(xiǎn))。可以使用脈沖模式的激光來限制熱影響,激光的功率決定切割速度。在激光功率一定的情況下,限制因數(shù)就是氧氣的供應(yīng)和材料的熱傳導(dǎo)率。
為進(jìn)一步提高激光切割速度,可根據(jù)空氣動力學(xué)原理,在提高噴嘴壓力的前提下不產(chǎn)生正激波,設(shè)計(jì)制造一種縮放型噴嘴,即拉伐爾(Laval)噴嘴。激光切割機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用無疑是對現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重大提高和創(chuàng)新突破。為方便制造可采用如圖4的結(jié)構(gòu)。德國漢諾威大學(xué)激光中心使用500WCO2激光器,透鏡焦距2.5〃,采用小孔噴嘴和拉伐爾噴嘴分別作了試驗(yàn),見圖4。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示:分別表示NO2、NO4、NO5噴嘴在不同的氧氣壓力下,切口表面粗糙度Rz與切割速度Vc的函數(shù)關(guān)系。從圖中可以看出NO2小孔噴嘴在Pn為400Kpa(或4bar)時切割速度只能達(dá)到2.75m/min(碳鋼板厚為2mm)。NO4、NO5二種拉伐爾噴嘴在Pn為500Kpa到600Kpa時切割速度可達(dá)到3.5m/min和5.5m/min。應(yīng)指出的是切割壓力Pc還是工件與噴嘴距離的函數(shù)。由于斜激波在氣流的邊界多次反射,使切割壓力呈周期性的變化。
多年來,國外發(fā)展了綜合激光切割和機(jī)械沖孔技術(shù)的激光沖切機(jī),這種機(jī)械對復(fù)雜形狀的工件用機(jī)械方法模沖出內(nèi)孔,然后用激光切割方法切出外緣和需要長距離切割的線條。工件在切割前,對其進(jìn)行激光切割的可行性以及切割過程中可能出現(xiàn)的問題要預(yù)先予 以考慮。由于能量密度與面積成反比,所以焦點(diǎn)光斑直徑盡可能的小,以便產(chǎn)生一窄的切縫。比如,此類材料可否進(jìn)行激光切割?其切割的難點(diǎn)在哪里?是否需要對樣品進(jìn)行試割?如何達(dá)到切割的質(zhì)量和精度的要求?工件切割的基準(zhǔn)起始點(diǎn)放在哪里?等等。影響激光切割質(zhì)量的因素很多,激光切割的一個重要優(yōu)點(diǎn)在于可以對過程中的主要因素實(shí)施高度控制,使切割出的工件充分滿足客戶的要求,并且重復(fù)性很好。這些主要因素由切割速度、焦點(diǎn)位置、輔助氣體壓力、激光輸出功率等工藝參數(shù)構(gòu)成。除了以上4個重要的變量以外,可能對切割質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素還包括光束參數(shù)(模式和功率、激光束的偏振、激光束的聚焦、脈沖波光束)和工件特性(材料表面反射率、材料表面狀態(tài)),以及割炬和噴嘴、外光路系統(tǒng)、工件固定等其他因素。
激光切割機(jī)工藝中的輔助吹氣參數(shù)
在激光切割過程中,特別是對鋼、鈦等易氧化金屬的切割,使用輔助吹氧氣法,可以產(chǎn)生氧化放熱反應(yīng),可以吹散等離子云對激光束的屏蔽,可以吹掉切割縫隙中的熔融金屬。循環(huán)水的更換和水箱清洗:在機(jī)器工作前一定保證激光管充滿循環(huán)水,循環(huán)水的水質(zhì)及水溫直接影響激光管的使用壽命。這些作用的總效果與增加入射激光功率的作用是相當(dāng)?shù)?。所以,輔助吹氣是提高切割速度,保證切斷面質(zhì)量的重要因素。因?yàn)檠趸艧徇^程中,棄放的熱量與氣體流量有關(guān),切縫中熔融金屬的噴射量與輔助氣體在中心細(xì)線上壓力的大小有關(guān)。故在激光切割機(jī)切割工藝中,要研究輔助氣體的種類、流量和壓強(qiáng)對切割速度的影響。