无论是CO2还是灯棒式YAG激光,激光的产生原理决定了其性能受到一定的局限。大功率CO2激光器体积庞大,但激光发散角较小,可以采用飞行光路实现切割的工艺要求,但光斑粗大,能量密度低是其很大的弱点。相干光的特征是其所有的光波都是同步的,整束光就好像一个“波列”。灯棒式YAG激光的光斑能量密度可以做到远小于CO2激光器,但光束发散角很大。即使是国内较具代表性的华俄激光的灯棒式YAG激光,也只能实现半飞行光路,难以做到全飞行光路实现切割的工艺要求。
由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快,因此激光切割能够获得较好的切割质量。① 激光切割切口细窄,切缝两边平行并且与表面垂直,切割零件的尺寸精度可达±0.05mm。对高反射率材料,如金、银、铜和铝合金,它们也是好的传热导体,因此激光切割很困难,甚至不能切割。② 切割表面光洁美观,表面粗糙度只有几十微米,甚至激光切割可以作为后一道工序,无需机械加工,零部件可直接使用。③ 材料经过激光切割后,热影响区宽度很小,切缝附近材料的性能也几乎不受影响,并且工件变形小,切割精度高,切缝的几何形状好,切缝横截面形状呈现较为规则的长方形。激光切割、氧乙i炔切割和等离子切割方法的比较见表1,切割材料为6.2mm厚的低碳钢板。
激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料(如纸、布、木材、塑料和橡皮等)的切割。激光熔化切割时,用激光加热使金属材料熔化,然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体(Ar、He、N等),依靠气体的强大压力使液态金属排出,形成切口。要让发射的光朝一个方向传播,需要给光源装上一定的聚光装置,如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜,使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光熔化切割不需要使金属完全汽化,所需能量只有汽化切割的1/10。激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割,如不锈钢、钛、铝及其合金等。
用激光切割加工的航空航天零部件有发动机火焰筒、钛合金薄壁机匣、飞机框架、钛合金蒙皮、机翼长桁、尾翼壁板、直升机主旋翼、航天飞机陶瓷隔热瓦等。激光切割成形技术在非金属材料领域也有着较为广泛的应用。但是对于不同的材料,由于自身的热物理性能及对激光的吸收率不同,表现出不同的激光切割适应性。不仅可以切割硬度高、脆性大的材料,如氮化硅、陶瓷、石英等;还能切割加工柔性材料,如布料、纸张、塑料板、橡胶等,如用激光进行服装剪裁,可节约衣料10%~12%,提高功效3倍以上。
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