基于壁面聚焦效應的CO-,2-激光切割非金屬材料機理和關鍵技術研究.pdf

1、激光切割是一種應用最廣泛的激光加工技術，其工業(yè)應用始于七十年代初。 隨著激光器件和加工技術的進步，其應用領域逐步擴大到低碳鋼、不銹鋼等金屬謂的“壁面聚焦效應”（wall focusing effects）。壁面對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，主要是以激光直射去除材料，雖然壁面對激光有反射，但是影響不大；若材料的厚度大于焦深時，壁面對激光的反射就起了作用，材料的厚度越大，就存在壁面對激

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系。在本試驗條件峽，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。經過模型修正后，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)之間的關系。 和木材、增強塑料、陶瓷、石英，石材等非金屬板材的切割，應用規(guī)模也不斷擴大。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理及其影響因素，重點分析了切口處前沿和壁面的光線傳輸和能量吸收過程，建立了中低功率激光切割非金屬材料的理論模型，通過分析得出如下主要結論： 1. 研制了滿足試驗要求的PHC－1500 折疊式準封離型連續(xù)CO2 激光器，輸出為穩(wěn)定的基模線偏振光，配套的

4、光學和機床系統(tǒng)能夠很好地保證切割精度。 2. 采用量熱法試驗測定了模切板和有機玻璃對CO2 激光的反射率，結果發(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??；入射角大于60o以后，反射率隨入射角的增大而急劇增大。比較理論計算結果，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. 基于試驗拍攝的前沿形狀和切縫形狀，經過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，分析了實際彎曲切割前沿和兩壁面對激光的反射傳輸和能量吸收過程：（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前沿底部的

6、功率密度，壁面的多次反射增強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；（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