摘要：本文主要研究了Cq激光气体切割非金属材料的机理。基于切割对象的形状和切口的形状，需使用理论分析制备适用于激光气体切割非金属材料的三维模型。研究中需要分析两个激光棒壁和弯曲叶片的反射和能量吸收过程，由于存在多次反射，整个前沿具有功率密度分布，两个凹槽的壁对人体激光具有波导效应，可将其 其由左壁和右壁反射并转移到狭缝的深部，即“壁面聚焦效应”。
关键词：CO2；激光；气化切割；非金属材料；机制
激光的吸收主要在切削刃的前端实施。以前，蒸发机理分析一般是完全吸收，切割非金属材料，材料瞬间气化，切割边沿是垂直或倾斜的直线，适合切割薄板，不适合切割厚板。
1.理论模型设计
理论模型是正在气化的区域以及激光和物质相互作用的区域。创建一个如图1所示的空间3D坐标系，坐标的原点在空间的表面上，如图1（b）所示。然后，表面在x-z平面上的投影变为前沿曲线，如图1（c）所示。将表面投影到y-z平面会产生狭缝曲线。图1（d）是x-y平面中的表面投影，上曲线和下曲线均是半圆弧形。结合上述三个投影面的形状与上部区域的关系，沿着尖端的曲线假设半径曲线，其中深度（Z方向）的变化和半圆弧的半径被假定，该关系满足偏差变化曲线的函数关系。可以通过实验获得前沿曲线和切缝曲线。在激光落入曲面（气化区）的曲面上可能发生多次反射，每个反射都是一个曲面，可以吸收一些能量。表面吸收的能量取决于之前的反射，必须在理论计算中进行分析。为此，我们创建了一个与曲面相应的的能量耦合模型，基本假设是：
1.1假设曲面表面光滑
激光束以传统的菲涅耳反射方式反射，即入射角与反射角相同。
1.2假设入射激光的功率密度为高斯分布
入射激光聚焦之后射在工作原件的表面。激光的波长远小于切缝的大小，可根据几何光学无线电方法进行处理。
1.3假设曲面任意一点吸收的激光能量是该点对
直接入射反射吸收的能量和多次反射吸收的能量之和。
1.4不考虑等离子体对激光的反韧致辐射吸收。
通过射线追踪方法研究了聚焦在切刃上的激光反射和能量吸收过程。许多科学家认为，光束反射的吸收仅发生在曲线的前端，但实际上多次反射所吸收的能量不止来自于前沿睡曲，还从入射到两壁面的入射光反射之后再射入到曲线前沿。前沿多次反射的能量转移和反射过程从前缘和壁面两部分来，并应用两部分的能量。从理论上来说，当光束到达前沿时，光线r第J次射入的实际激光功率密度是：
上述式子中，P是激光的功率，F是聚焦透镜的焦距，聚焦透镜的光斑半径是岛，是光线（r）和光轴之间的夹角，以及距光透镜（r）的中心的距离，屯是r第J次入射角度，L月是光线离开聚焦点第J次入射到前沿时的所有路径。同样，可以在实际激光功率密度切缝上反射后的第j个力矩前缘之一的曲线，实际激光的第J次反射前缘曲线吸收的激光功率密度，公式与上面的公式一样，只需替换掉部分数值就可以。
2.激光切割参数
激光切割是一种现代热切割工艺，几乎可以加工任何材料，包括各种金属和非金属材料。例如，Belforte [46]研究了如何使用CO2激光器切割材料，如有机材料（塑料、合成材料、材料、橡胶、木材、纸张、皮革、天然和合成纺织品等），无机材料（石英、石头等），金属（碳钢、不锈钢、合金钢、工具钢、铝合金、钛合金等）。一些高硬度、高脆性和高熔点的材料适合以此方法来切割，特别是在通过一些常规方法难以加工的材料的情况下。因此，激光切割技术领域的实验研究在使用和推广中具有实际意义。许多参数会影响激光切割过程，Matthew和Takeji Arai [48]试验记录了激光切割木材的PRF参数和特征，Barnekov研究了影响木材切割的主要因素，虽然这位科学家的分类内容不同，但分类标准的核心基本相同。通过整合他们的研究结论，假设影响切割过程的参数主要是三个：（1）激光束的特性，（2）设备和加工参数，（3）材料的特性。光束特性主要包括功率模式下的极化和稳定性；设备和工艺参数包括光路设计、进料速率、辅助气体系统分析、形态和压力辅助气体和材料特性以及热性能等；材料的特性参数有厚度、密度等，也包括在主要的光学性质。例如合成木材产品，还包括水分、提取物、粘合剂量和添加剂的类型。从研究和应用的角度来看，影响激光切割的因素很多，有些因素的影响力很大。
3 CO2激光气化切割非金属材料的机制
3.1 CO2激光气化切割非金属材料的切割速度
切割速度决定了激光切割时长和材料可以吸收的能量。如果其他参数保持不变，切割深度随切割速度增加，但切割速度对切缝宽度影响不大[70]。激光切割的力量与切割速度密切相关。在某些情况下，需要高切割速度。Huber和Hahn [71，72]提出ALPS系统（自动木工系统）在切割速度为50英尺/分钟或更高时切割家具板更经济。而其他的应用场合中，例如切割胶合板和纤维板的复杂形状，需要降低切割速度。进给速率和力的组合可实现最大切削性能，工件厚度取决于切缝的宽度和密度。切割速度是操作人员可以设置的最重要参数之一。如果切割速度太高导致无法切割透板材，切割速度太慢可能导致切割表面破裂。因此，对于具有恒定厚度的材料，可以优化切割速度，将切割速度保持在最大和最小，切割速度是一个重要的经济指标，更高的切削速度可以减少加工时间和成本。
这是因为气化切前沿由于切削速度的影响而弯曲，并且从入射角的角度看，入射激光辐射的角度增加，并且一部分入射光被吸收，另一部分被反射或从切缝中逃出来落到前端，激光照射下的去除深度是有限的。然而，在实践中，切割深度较大并且前沿的反射不容忽视。因此，非金属材料的激光蒸发能量与弯曲边缘和反射效应的连接的三维模型是基于收集壁的理论创建的，分析了两个激光对置壁的能量吸收得过程。
3.2CO2激光气化切割非金属材料的辅助气体
用气流作为辅助激光切割木材时，气流和同轴激光束排气，气流有三个功能：烟雾气流从片段切口燃烧，以防止成型污染；剖面碎片飞行光学燃烧的激光能量直接传递到工件上，可以改善切割激光的工作；气流吹走切缝处的碎屑和燃烧后的废弃气体，可以让激光束直接作用在工作原件上，可以改善切割激光的工作；例如使用活性气体，用氧气代替空气，化学反应有助于燃烧。在此式子中，ν是动态粘度系数，ρ是气体密度，V是气体流量，Rez是z位置的气流雷诺数，5k是常数。因为0τ与1.8V成比例，所以高剪切力需要高空气流速。出于这个原因，Duan J [75]和Mukherjee [76]开发了超音速喷嘴，与现有的锥形喷嘴相比，它先收缩然后扩展了拉伐尔喷嘴，切削速度快，表面粗糙度低。该测试切割了1in干桉树，功率为1560瓦。喷嘴中的压力增加到70psi，以更快的速度进行英寸和切口，直到激光通过样品。使用超声波喷嘴时，最大切割速度为180英寸/分钟，但标准的喷嘴是基于非金属材料集中在机构壁上的效果，切入CO2激光和核心技术研究，18最大切割速度为120英寸/分钟，切割速度可以提高50％，这是通过增加激光功率无法实现的理想结果。经过试验，切5毫米不锈钢时，辅助气体惰性气体，压力5-7bar，能得到高品质切缝。
结语
研究得出的照片显示了前沿曲线和切缝曲线，基于墙壁表面聚焦的效应理论，创建了激光气化能量界面的三维模型，分析了弯曲的实际前沿和两壁指向激光的反射和能量吸收过程。曲线的能量吸收主要由前三次人体射线事件（即两次反射）决定，前沿的重复反射增加了前沿底部的功率密度，并且壁的重复反射改善了前缘的中间区域和下部区域。由于功率密度的多次反射，致使整个前沿具有功率密度分布。多重回波的影响不可忽视。
参考文献
[1]谢小柱，魏昕，胡伟. CO2激光切割非金属材料理论模型[J]. 工具技术，2008，42（5）：19-21.
[2]甘家梁，孙红安，唐海昌. 中低功率双CO_2激光切割机的开发与应用[J]. 激光与光电子学进展，2011，48（9）：97-101.
[3]谢小柱，魏昕，胡伟. 线偏振CO_2激光对非金属材料切缝的影响[J]. 激光技术，2008，32（4）：399-401.
论文作者:李旭云
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年6期
论文发表时间:2019/7/12
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