基于壁面聚焦效應(yīng)的CO-,2-激光切割非金屬材料機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、激光切割是一種應(yīng)用最廣泛的激光加工技術(shù)，其工業(yè)應(yīng)用始于七十年代初。 隨著激光器件和加工技術(shù)的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大到低碳鋼、不銹鋼等金屬謂的“壁面聚焦效應(yīng)”（wall focusing effects）。壁面對(duì)激光的反射主要取決于激光的焦深和材料的厚度。若材料的厚度和焦深范圍差不多時(shí)，主要是以激光直射去除材料，雖然壁面對(duì)激光有反射，但是影響不大；若材料的厚度大于焦深時(shí)，壁面對(duì)激光的反射就起了作用，材料的厚度越大，就存在壁面對(duì)激

2、光多次反射，那么多次反射的影響就不能忽略。 5. 基于能量平衡方程建立CO2 激光切割高吸收率非金屬材料的解析數(shù)學(xué)模型，得到了切割深度、激光功率和切割速度三者之間的相互關(guān)系。在本試驗(yàn)條件峽，該模型適合薄板（12mm 以下）切割和較厚板（12~20mm）的大功率（>400W） 高速（>1.0m/min）切割。經(jīng)過(guò)模型修正后，可以適合厚板（>20mm）切割。 采用宏觀和微觀的方法描述模切板切割表面質(zhì)量，研究了表面附著

3、炭層和切割速度和激光功率等參數(shù)之間的關(guān)系。 和木材、增強(qiáng)塑料、陶瓷、石英，石材等非金屬板材的切割，應(yīng)用規(guī)模也不斷擴(kuò)大。本文系統(tǒng)研究了CO2 激光氣化切割高吸收率非金屬材料的機(jī)理及其影響因素，重點(diǎn)分析了切口處前沿和壁面的光線傳輸和能量吸收過(guò)程，建立了中低功率激光切割非金屬材料的理論模型，通過(guò)分析得出如下主要結(jié)論： 1. 研制了滿足試驗(yàn)要求的PHC－1500 折疊式準(zhǔn)封離型連續(xù)CO2 激光器，輸出為穩(wěn)定的基模線偏振光，配套的

4、光學(xué)和機(jī)床系統(tǒng)能夠很好地保證切割精度。 2. 采用量熱法試驗(yàn)測(cè)定了模切板和有機(jī)玻璃對(duì)CO2 激光的反射率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)垂直于入射面線偏振光的反射率隨入射角的增大而增大。平行于入射面線偏振激光的反射率在較小入射角下（60o以下），反射率較小，且隨入射角的增大而緩慢減小；入射角大于60o以后，反射率隨入射角的增大而急劇增大。比較理論計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性。 3. 采用高速攝影的方法拍攝氣化切割前沿形狀。隨著焦點(diǎn)位置下

5、移，切割速度的降低、激光功率增加，切割前沿深度增加，彎曲程度減小。由于材料較厚，切割前沿彎曲，對(duì)激光存在多次反射，使得光線朝著深部傳輸，有利于切割前沿深度的增加。 4. 基于試驗(yàn)拍攝的前沿形狀和切縫形狀，經(jīng)過(guò)理論分析建立了激光氣化切割非金屬材料的三維能量耦合模型，分析了實(shí)際彎曲切割前沿和兩壁面對(duì)激光的反射傳輸和能量吸收過(guò)程：（1）前沿和壁面的能量吸收主要都決定于入射光束的前三次入射（即兩次反射），前沿本身的多次反射增強(qiáng)前沿底部的

6、功率密度，壁面的多次反射增強(qiáng)前沿中下部位的功率密度。正是由于多次反射的存在，使得整個(gè)前沿都有功率密度分布。由于切割速度的影響，激光軸線朝著前沿方向移動(dòng)；（2）在前三次入射的總激光功率密度方面，前沿部分s 偏振光> c 偏振光> p 偏振光，壁面部分p 偏振光> c 偏振光> s 偏振光；而在吸收的總激光功率密度方面，前沿部分p 偏振光> c 偏振光> s 偏振光，壁面部分s 偏振光> c 偏振光> p 偏振光，三種不同偏振光之間吸收功率