基于壁面聚焦效应的CO2激光切割非金属材料机理和关键技术研究

论文摘要

激光切割是一种应用最广泛的激光加工技术，其工业应用始于七十年代初。随着激光器件和加工技术的进步，其应用领域逐步扩大到低碳钢、不锈钢等金属和木材、增强塑料、陶瓷、石英，石材等非金属板材的切割，应用规模也不断扩大。本文系统研究了CO2激光气化切割高吸收率非金属材料的机理及其影响因素，重点分析了切口处前沿和壁面的光线传输和能量吸收过程，建立了中低功率激光切割非金属材料的理论模型，通过分析得出如下主要结论： 1．研制了满足试验要求的PHC—1500折叠式准封离型连续CO2激光器，输出为稳定的基模线偏振光，配套的光学和机床系统能够很好地保证切割精度。 2．采用量热法试验测定了模切板和有机玻璃对CO2激光的反射率，结果发现垂直于入射面线偏振光的反射率随入射角的增大而增大。平行于入射面线偏振激光的反射率在较小入射角下（60°以下），反射率较小，且随入射角的增大而缓慢减小；入射角大于60°以后，反射率随入射角的增大而急剧增大。比较理论计算结果，发现两者具有较好的一致性。 3．采用高速摄影的方法拍摄气化切割前沿形状。随着焦点位置下移，切割速度的降低、激光功率增加，切割前沿深度增加，弯曲程度减小。由于材料较厚，切割前沿弯曲，对激光存在多次反射，使得光线朝着深部传输，有利于切割前沿深度的增加。 4．基于试验拍摄的前沿形状和切缝形状，经过理论分析建立了激光气化切割非金属材料的三维能量耦合模型，分析了实际弯曲切割前沿和两壁面对激光的反射传输和能量吸收过程：（1） 前沿和壁面的能量吸收主要都决定于入射光束的前三次入射（即两次反射），前沿本身的多次反射增强前沿底部的功率密度，壁面的多次反射增强前沿中下部位的功率密度。正是由于多次反射的存在，使得整个前沿都有功率密度分布。由于切割速度的影响，激光轴线朝着前沿方向移动；（2） 在前三次入射的总激光功率密度方面，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；而在吸收的总激光功率密度方面，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，三种不同偏振光之间吸收功率密度的差值较之金属还是要小很多。试验采用线偏振激光沿着八个不同方向切割模切板，发现沿着不同方向切割的上、下切缝之间的差值很小，验证了理论分析结果，也就是说偏振性对高吸收率的非金属材料影响不大；（3） 两切口壁面对入射激光有波导作用，入射激光在左右两壁面之间相互反射，朝着切口深部传输，即所

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 激光切割概述
• 1.1.1 发展背景
• 1.1.2 切割方式与特点
• 1.1.3 工业应用
• 1.2 激光切割机理
• 1.2.1 切割前沿形状
• 1.2.2 吸收率的确定
• 1.3 激光切割参数
• 1.3.1 功率
• 1.3.2 模式
• 1.3.3 偏振性
• 1.3.4 焦点位置
• 1.3.5 切割速度
• 1.3.6 辅助气体
• 1.3.7 材料特性
• 1.4 激光切割理论模型
• 1.4.1 气化切割模型
• 1.4.2 熔化切割模型
• 1.4.3 反应熔化切割模型
• 1.4.4 参数化模型
• 1.5 工程材料的激光切割
• 1.5.1 金属材料
• 1.5.2 非金属材料
• 1.5.3 复合材料
• 1.6 存在的问题
• 1.7 本文研究的内容和目标
• 2激光切割系统研究'>第2章 CO₂激光切割系统研究
• 2.1 激光器
• 2.1.1 激光器结构
• 2.1.2 谐振腔及其输出特性
• 2.1.3 稳定性及其调节
• 2.2 光学系统
• 2.3 运动、装夹及控制系统
• 2.4 小结
• 2激光反射率的试验测定'>第3章 非金属材料对 CO₂激光反射率的试验测定
• 3.1 试验装置和方法
• 3.1.1 试验装置
• 3.1.2 线偏振激光的起偏与检偏
• 3.1.3 试验方法
• 3.1.4 试验材料的选取与处理
• 3.2 试验结果
• 3.3 理论分析
• 3.4 小结
• 2激光气化切割非金属材料前沿的试验研究'>第4章 CO₂激光气化切割非金属材料前沿的试验研究
• 4.1 试验装置
• 4.2 试验结果和分析
• 4.2.1 焦点位置对切割前沿的影响
• 4.2.2 切割速度对切割前沿的影响
• 4.2.3 激光功率对切割前沿的影响
• 4.3 小结
• 2激光气化切割非金属材料的机理研究'>第5章 CO₂激光气化切割非金属材料的机理研究
• 5.1 基本假设
• 5.2 聚焦高斯光束在直线切割前沿的反射吸收
• 5.3 聚焦高斯光束在实际切割前沿的反射吸收
• 5.3.1 切割前沿上激光光束多次反射传输过程
• 5.3.2 切割前沿上激光功率密度分布
• 5.3.3 计算步骤
• 5.3.4 切口壁面和切割前沿间激光光束多次反射传输过程
• 5.3.5 切口壁面反射后入射到切割前沿上激光功率密度分布
• 5.3.6 计算步骤
• 5.3.7 实例分析
• 5.3.7.1 反射次数的影响
• 5.3.7.2 激光轴线位置的影响
• 5.3.7.3 偏振光的影响
• 5.3.7.4 激光功率的影响
• 5.3.7.5 切割速度的影响
• 5.3.7.6 焦点位置的影响
• 5.4 聚焦高斯光束在实际两切口壁面间的反射吸收
• 5.4.1 两切口壁面间激光光束多次反射传输过程
• 5.4.2 切口壁面上激光功率密度分布
• 5.4.3 计算步骤
• 5.4.4 实例分析
• 5.4.4.1 反射次数的影响
• 5.4.4.2 偏振光的影响
• 5.5 小结
• 2激光切割非金属材料的试验研究'>第6章 线偏振 CO₂激光切割非金属材料的试验研究
• 6.1 试验装置
• 6.2 试验方法
• 6.3 试验结果及分析
• 6.3.1 切割速度对切缝宽度的影响
• 6.3.2 激光功率对切缝宽度的影响
• 6.3.3 辅助气体对切缝宽度的影响
• 6.3.4 比较线偏振激光切割金属
• 6.4 小结
• 2激光切割非金属材料的理论模型'>第7章 中低功率 CO₂激光切割非金属材料的理论模型
• 7.1 理论模型
• 7.2 试验装置与方法
• 7.3 试验结果及分析
• 7.3.1 切割深度和加工参数的关系
• 7.3.1.1 切割速度的影响
• 7.3.1.2 激光功率的影响
• 7.3.1.3 焦点位置的影响
• 7.3.2 比较理论模型
• 7.3.3 模型修正
• 7.3.4 切割表面质量
• 7.3.4.1 切割速度的影响
• 7.3.4.2 激光功率的影响
• 7.3.4.3 比较锯切的表面质量
• 7.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A （攻读学位期间发表的论文）
• 附录B （切割前沿功率密度分布 Matlab计算部分源程序）
• 附录C （攻读学位期间获奖情况）
• 致谢
• 附