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激光切割:“削鐵如泥”不是傳說(shuō)!
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激光切割:“削鐵如泥”不是傳說(shuō)!
靈魂拷問(wèn)—
你眼中的激光是什么樣子的?
是打小怪獸的“奧特激光“?(動(dòng)感光波,BIU BIU BIU BIU~~)
還是五彩斑斕、絢麗奪目的舞臺(tái)燈光?(好奪目,好炫彩~~)
在當(dāng)代科幻類(lèi)影視劇里,你可能更經(jīng)??吹较旅孢@樣的場(chǎng)景——
(事先聲明,咱不評(píng)價(jià)任何一部電影,只是看里邊的鏡頭)
電影《上海堡壘》中,外來(lái)入侵者利用高能激光束,輕而易舉地切割開(kāi)了厚厚的金屬墻。
電影《蜘蛛俠·英雄歸來(lái)》中,無(wú)人機(jī)攜帶的微型激光發(fā)射器也能發(fā)射出高能激光束,博物館厚厚的門(mén)在它面前似乎沒(méi)有任何“反抗能力”。
看到這里你也許會(huì)發(fā)現(xiàn),激光真的是可甜可鹽。
在工業(yè)社會(huì),面對(duì)厚厚的金屬墻也“毫不客氣”、切之而后快的工具并不是常見(jiàn)的“刀槍劍戟 斧鉞鉤叉 閑棍槊棒 鞭锏錘抓”,而是一束激光,這束光作用于金屬之后,能迅速、準(zhǔn)切地切開(kāi)它們。
Bingo!影片里情節(jié)設(shè)計(jì)所依據(jù)的正是“
激光切割
”技術(shù)。
我們都知道“火能克金”,小伙伴是否已經(jīng)好奇了——什么是激光切割?這束高能激光,到底是有多高的能量?
激光切割的原理
就是它字面的意思,
激光切割就是一種利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束切割材料的技術(shù)。
而且,激光切割屬于熱切割的一種。為什么這么說(shuō)?讓我們?cè)敿?xì)了解一下激光切割的原理。
激光切割系統(tǒng)是通過(guò)使用激光聚焦系統(tǒng),將高能激光聚焦到材料表面,材料吸收激光能量導(dǎo)致局部被加熱到熔點(diǎn)以上。同時(shí),同軸高壓氣體或產(chǎn)生的蒸汽將熔融的金屬吹離,在材料表面產(chǎn)生空洞。隨著激光沿著設(shè)定程序的移動(dòng),最終將材料切割出對(duì)應(yīng)圖案的形狀。
激光切割的類(lèi)型
一般來(lái)說(shuō),激光切割可分為
激光氣化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制斷裂四類(lèi)
。這四種激光切割方法的切割功率及功率密度不同,導(dǎo)致其適用于不同的場(chǎng)景。
01
激光氣化切割
這種切割方法的原理是:利用高能量密度的激光束加熱材料,當(dāng)材料溫度迅速上升達(dá)到沸點(diǎn)后,材料迅速氣化并產(chǎn)生蒸氣噴出并留下切口。
材料的汽化熱一般很大,所以激光氣化切割需要很大的功率和功率密度。因此這種切割方式多用于極薄金屬材料和非金屬材料(如紙、布、木材等)的切割。
02
激光融化切割
這種切割方式的原理是激光輻照導(dǎo)致材料熔化,與光束同軸的噴嘴噴吹有較大壓力的非氧化性氣體(Ar、He、N2等)使液態(tài)金屬排出,形成切口。
激光熔化切割不需要使金屬完全氣化,所需能量也只有氣化切割的1/10,因此這種切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割,如不銹鋼、鈦、鋁及其合金等。
03
激光氧氣切割
激光氧氣切割原理是用氧氣與切割金屬作用,發(fā)生氧化反應(yīng),放出大量的氧化熱,同時(shí),被激光熔融的材料又被氧氣從反應(yīng)區(qū)吹出并形成切口。
氧化反應(yīng)為放熱反應(yīng),使得這種方法所需能量只是熔化切割的1/2,但切割速度比氣化切割和熔化切割都快,所以這種切割方法主要用于一些較難切割的物料,如碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。
04
激光劃片與控制斷裂
激光劃片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面進(jìn)行掃描,使材料受熱蒸發(fā)出一條小槽,然后施加一定的壓力,脆性材料就會(huì)沿小槽裂開(kāi)。激光劃片用的激光器一般為Q開(kāi)關(guān)激光器和CO2激光器。
控制斷裂是利用激光刻槽時(shí)所產(chǎn)生的陡峭的溫度分布,在脆性材料中產(chǎn)生局部熱應(yīng)力,使材料沿小槽斷開(kāi)。
切割機(jī)的激光功率
常見(jiàn)的激光切割機(jī)是:
光纖激光切割機(jī)和CO2激光切割機(jī)
。顧名思義,二者所使用的激光分別來(lái)源于光纖激光器和CO2激光器。目前,光纖激光器憑借其出光功率高、光斑尺寸小等優(yōu)勢(shì),所占市場(chǎng)早已遠(yuǎn)超CO2激光器,并仍在增長(zhǎng)之中。
沒(méi)有數(shù)據(jù)支撐的內(nèi)容未免蒼白,想知道激光切割所用激光功率到底有多高嗎?
接下來(lái),來(lái)自9月17日于上海舉行的中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)(簡(jiǎn)稱(chēng):工博會(huì))的一組數(shù)據(jù),絕對(duì)會(huì)讓你驚呼:
Oh MY GOD!
以20kW的光功率為例,如果其光纖直徑為200微米,數(shù)值孔徑為0.22,則其光功率密度將會(huì)大于
1000MW/Cm^2·str-1。
而傳統(tǒng)的教學(xué)用激光筆的光功率僅僅為:
1-5mW
,光功率密度也很小。但是就是這樣的激光筆照射人體尤其是眼睛時(shí),也有很大的傷害。所以一定不能讓小朋友隨意拿來(lái)玩耍呀~~
參考文獻(xiàn):
1.中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)CIIF.http://www.shsh-expo.com/.
2.百度百科:激光切割.
3.趙三軍,趙水,張志強(qiáng),賈斌,陳紹磊,周玉梅,姜冰,吳軍.激光切割8 mm厚錳鋼板的工藝試驗(yàn)研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2019(09):70-73.
4.吳國(guó)興,葉軍,肖榮詩(shī),林峰,盧智良,徐均良,郭建梅,張寶華,伏金娟,山昌祝,張人佶,張景泉,王應(yīng),王曉娟.第十六屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)特種加工機(jī)床評(píng)述[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng),2019(04):71-82.
5.魏同學(xué).光纖激光切割06Cr19Ni10不銹鋼質(zhì)量控制研究[J].模具技術(shù),2019(04):52-55+63.
來(lái)源:中科院半導(dǎo)體所
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