輔助氣體的氣流可使激光切割加工的熱影響區(qū)減小,詳情參考villae.cn
本文通過(guò)分析切割過(guò)程中材料狀態(tài)和能量平衡的變化，將其分為三個(gè)相互聯(lián)系的階段，針對(duì)每個(gè)階段根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立不同的表達(dá)式，來(lái)研究加工工藝參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響，可以使理論模型與實(shí)際加工更加接近。激光切割加工的過(guò)程分析根據(jù)激光切割過(guò)程的不同物理形式，可分為汽化切割，熔化切割，氧助熔化切割和控制斷裂切割四類(lèi)。本文所研究的是在實(shí)際加工中應(yīng)用*廣的氧助熔化切割，其加工原理是：利用激光束將材料加熱到燃點(diǎn)，并與輔助氣體一一氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，所產(chǎn)生的熱量與激光束共同作為切割熱源，熔化切口部分的材料。激光切割的過(guò)程從激光光束聚焦照射到鋼板上開(kāi)始，直至切割頭沿切割加工軌跡運(yùn)行到終點(diǎn)。

        整個(gè)加工過(guò)程可分為三個(gè)階段：**階段鋼板被激光加熱升溫至燃點(diǎn)；**階段從Fe和O₂發(fā)生燃燒反應(yīng)開(kāi)始至鋼板被燒穿；第三階段激光束和切割頭連續(xù)移動(dòng)，*終將鋼板割開(kāi)。下而分別加以分析。**階段的過(guò)程分析在氧助熔化切割加工開(kāi)始時(shí)，高功率密度的激光束以固定集中點(diǎn)熱源的方式照射在工件的起割點(diǎn)處(在實(shí)際切割加工時(shí)，為去除材料的毛邊，通常將起割點(diǎn)取在板材工件的內(nèi)部)。激光束的能量以一定的吸收率被材料吸收，所吸收的激光能量被迅速轉(zhuǎn)化為熱能，造成起割點(diǎn)處的溫度不斷上升，并通過(guò)熱傳導(dǎo)方式向周?chē)牧蟼鬟f熱量。能量損耗的方式除熱傳導(dǎo)外，還有對(duì)流和輻射。

        根據(jù)Lim和Powell的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：激光切割中*主要的熱量損失是熱傳導(dǎo)，而熱輻射和對(duì)流導(dǎo)致的散熱非常小，可以忽略不計(jì)。氧氣氣流從切割頭的噴嘴中噴出，可以促進(jìn)被照射部位迅速氧化，鋼板的升溫和氧化使其對(duì)激光的吸收率不斷增大。同時(shí)，輔助氣體的氣流也可以使激光切割加工的熱影響區(qū)減小。此時(shí)分析能量平衡關(guān)系，只有激光的能量作為輸入能量，被消耗于照射點(diǎn)處鋼板的溫升和周?chē)臒醾鲗?dǎo)溫度場(chǎng)。當(dāng)鋼板被激光照射處溫度升高到燃點(diǎn)溫度97度時(shí)，激光切割過(guò)程的**階段就結(jié)束了，開(kāi)始進(jìn)入下一個(gè)加工階段。

        **階段的過(guò)程分析在激光照射下，材料表而被加熱到燃點(diǎn)溫度后，由于周?chē)諝庵械难鯕夂糠浅８撸現(xiàn)e和O₂的燃燒反應(yīng)就從激光照射點(diǎn)處開(kāi)始發(fā)生，并快速向周?chē)鱾€(gè)方向擴(kuò)散。此時(shí)從噴嘴出來(lái)的氧氣由低壓變成高壓，一方而補(bǔ)充燃燒反應(yīng)所消耗的氧氣，為反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行提供充足的氧氣；另一方而對(duì)燃燒反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生沿板厚向下的沖擊作用。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：燃燒反應(yīng)在向周?chē)鷶U(kuò)展時(shí)，向下的反應(yīng)擴(kuò)展速度總是高于向側(cè)而的擴(kuò)展速度，可以認(rèn)為是燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熔渣的重力和高壓氣流的沖擊共同作用的結(jié)果。同時(shí)還可觀察到由于燃燒反應(yīng)非常劇烈，在反應(yīng)區(qū)內(nèi)，熔渣沸騰，中間有很多微小的氣泡，這些氣泡中既有汽化的金屬也有很多氧氣。