岳阳专业快速激光切割

关键技术二
喷嘴设计及控制技术
激光切割钢材时，氧气和聚焦的激光束是通过喷嘴射到被切材料处，从而形成一个气流束。对气流的基本要求是进入切口的气流量要大，速度要高，以便足够的氧化使切口材料充分进行放热反应；同时又有足够的动量将熔融材料喷射吹出。因此除光束的质量及其控制直接影响切割质量外，喷嘴的设计及气流的控制（如喷嘴压力、工件在气流中的位置等）也是十分重要的因素。如今激光切割用的喷嘴采用简单的结构，即一锥形孔带端部小圆孔。通常用实验和误差方法进行设计。由于喷嘴一般用紫铜制造，体积较小，是易损零件，需经常更换，因此不进行流体力学计算与分析。在使用时从喷嘴侧面通入一定压力Pn（表压为Pg）的气体，称喷嘴压力，从喷嘴出口喷出，经一定距离到达工件表面，其压力称切割压力Pc,后气体膨胀到大气压力Pa。研究工作表明随着Pn的增加，气流流速增加，Pc也不断增加。
可用下列公式计算：V=8.2d2(Pg+1）
V-气体流速 L/min
d-喷嘴直径 mm
Pg-喷嘴压力（表压）bar
对于不同的气体有不同的压力阈值，当喷嘴压力**过此值时，气流为正常斜激波，气流速从亚音速向**音速过渡。此阈值与Pn、Pa比值及气体分子的自由度（n）两因素有关：如氧气、空气的n=5，因此其阈值Pn=1bar×（1.2）3.5=1.89bar。当喷嘴压力较高Pn/Pa=（1+1/n)1+n/2时（Pn；4bar），气流正常斜激波封变为正激波，切割压力Pc下降，气流速度减低，并在工件表面形成涡流，削弱了气流去除熔融材料的作用，影响了切割速度。因此采用锥孔带端部小圆孔的喷嘴，其氧气的喷嘴压力常在3bar以下。
为进一步提高激光切割速度，可根据空气动力学原理，在提高喷嘴压力的前提下不产生正激波，设计制造一种缩放型喷嘴，即拉伐尔（Laval）喷嘴。为方便制造可采用如图4的结构。德国汉诺威大学激光中心使用500WCO2激光器，透镜焦距2.5〃，采用小孔喷嘴和拉伐尔喷嘴分别作了试验，见图4。试验结果如图5所示：分别表示NO2、NO4、NO5喷嘴在不同的氧气压力下，切口表面粗糙度Rz与切割速度Vc的函数关系。从图中可以看出NO2小孔喷嘴在Pn为400Kpa（或4bar）时切割速度只能达到2.75m/min（碳钢板厚为2mm）。NO4、NO5二种拉伐尔喷嘴在Pn为500Kpa到600Kpa时切割速度可达到3.5m/min和5.5m/min。应指出的是切割压力Pc还是工件与喷嘴距离的
一类是大中型制造企业，这些企业生产的产品中有大量板材需要下料、切料，并且具有较强的经济和技术实力
加工站
另一类单位是加工站（国外称Job Shop），加工站是对外承接激光加工业务的，自身无主导产品。它的存在一方面可满足一些中小企业加工的需要；一方面在初期对推广应用激光切割技术起到宣传**的作用。1999年美国全国共有激光加工站2700家，其中51%从事激光切割工作。八十年代中国激光加工站主要从事激光热处理工作，九十年代后，激光切割及攻站逐步增加。在此基础上随着中国大中型企业体制改革的深入和经济实力的增强，越来越多的企业将采用CO2激光切割技术。
从目前国内应用情况分析，CO2激光切割广泛应用于12mm厚的低碳钢板；6mm厚的不锈钢板及；20mm厚的非金属材料。对于三维空间曲线的切割，在汽车、航空工业中也开始获得了应用。
发展趋势
激光切割指采用激光**性光束在产品上面打孔，根据水平移动来对应产生的缝隙称为激光切割，激光可以在多产品材料上面切割，如亚克力、刀模板、布料、皮革等行业都能运用激光进行切割，因此激光切割是一种在多行业切割的新型方案。对于这样一种新型的切割方法，相对于传统切割有着什么样的优势呢，下面光博士带您分析下。
激光是利用物质激发产生光，这种光带有强烈的温度，在接触材料时候，能够迅速的在材料表面融化，形成打孔，根据对位对点的移动形成了切割，因此这样的一种切割方法相对于传统的切割方法，缝隙较小，较能够省去大部分材料，然而根据切割效果来定义分析，根据激光进行切割的材料，其切割效果能够满意，精准度又高，这是继承了激光的优势，也是普通切割方式不能够媲美的。
相对于传统切割方式中，激光切割较易懂、易学、在商家需求的加工效果，速度方面都有着的优势，因此相信在未来的切割方式选择中，激光切割机将是大众的需求。

（三）颜色较纯
　　光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳光的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。**单种颜色光的光源称为单色光源，它**的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只**某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氖灯只**红光，单色性很好，被誉为单色性**，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。 　激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色较纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到2×10^-9纳米，是氪灯**的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远**过任何一种单色光源。
　　（四）能量密度较大
　　光子的能量是用E=hv来计算的，其中h为普朗克常量，v为频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围3.846*10^(14)Hz到7.89510(14)Hz.电磁波谱可大致分为： 　（1）无线电波——波长从几千米到0.3米左右，一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波； 　（2）微波——波长从0.3米到10^-3米，这些波多用在或其它通讯系统； 　（3）红外线——波长从10^-3米到7.8×10^-7米； 　（4）可见光——这是人们所能感光的较狭窄的一个波段。波长从780—380nm。光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波。由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波较少的那一部分； 　（5）紫外线——波长从3 ×10^-7米到6×10^-10米。这些波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当，因此紫外光的化学效应强； 　（6）伦琴射线—— 这部分电磁波谱，波长从2×10^-9米到6×10^-12米。伦琴射线（X射线）是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的； 　（7）伽马射线——是波长从10^-10～10^-14米的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。由此看来，激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因为它的作用范围很小，一般只有一个点），短时间里聚集起大量的能量，用做也就可以理解了

原理
激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。
激光切割的原理见下图。

氧化熔化
熔化切割一般使用惰性气体，如果代之以氧气或其它活性气体，材料在激光束的照射下被点燃，与氧气发生激烈的化学反应而产生另一热源，称为氧化熔化切割。具体描述如下：
⑴材料表面在激光束的照射下很快被加热到燃点温度，随之与氧气发生激烈的燃烧反应，放出大量热量。在此热量作用下，材料内部形成充满蒸汽的小孔，而小孔的周围为熔融的金属壁所包围。
⑵燃烧物质转移成熔渣控制氧和金属的燃烧速度，同时氧气扩散通过熔渣到达点火*的快慢也对燃烧速度有很大的影响。氧气流速越高，燃烧化学反应和去除熔渣的速度也越快。当然，氧气流速不是越高越好，因为流速过快会导致切缝出口处反应产物即金属氧化物的快速冷却，这对切割质量也是不利的。
⑶显然，氧化熔化切割过程存在着两个热源，即激光照射能和氧与金属化学反应产生的热能。据估计，切割钢时，氧化反应放出的热量要占到切割所需全部能量的60%左右。
很明显，与惰性气体比较，使用氧作气体可获得较高的切割速度。
⑷在拥有两个热源的氧化熔化切割过程中，如果氧的燃烧速度**激光束的移动速度，割缝显得宽而粗糙。如果激光束移动的速度比氧的燃烧速度快，则所得切缝狭而光滑。

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