Designprinsippet for laserskjæring er et systematisk prosessrammeverk bygget på skjæringspunktet mellom optikk, termodynamikk og materialvitenskap. Kjernen er nøyaktig fjerning og forming av materialer gjennom samspillet mellom en kontrollerbar laserstråle med høy-energi-tetthet og materialet. Implementeringen av dette prinsippet krever vurdering av tre dimensjoner: lasergenerering og overføring, energiinteraksjonsmekanismer og prosessparametertilpasning, og danner en komplett logisk kjede fra "energikilde" til "behandlingsresultat."
Lasergenerering er utgangspunktet for designet. I nåværende industrielle applikasjoner viser fiberlasere, CO₂-lasere og faststofflasere forskjellige strålekarakteristikker på grunn av forskjeller i forsterkningsmedier og eksitasjonsmetoder: Fiberlasere bruker sjeldne-jordoptiske-optiske fibre som forsterkningsmedium og oppnår høy elektro-optisk konverteringseffektivitet, opptil 30 % eller mer, kontinuerlig pumpeeffekt (opp til 30 % eller mer) eller pulserende stråler i det nære-infrarøde båndet (omtrent 1070nm), med fordeler som utmerket strålekvalitet (M² nær 1), kompakt struktur og vedlikeholdsfri-drift; CO₂-lasere bruker en CO₂-gassblanding som forsterkningsmedium og genererer en langt-infrarødt bånd (10,6μm) stråle gjennom utladningseksitasjon, selv om den elektro{12}}optiske effektiviteten er relativt lav (omtrent 10 %), men absorpsjonshastigheten for ikke-metalliske materialer og tykke metallplater er høyere. Solid-lasere (som Nd:YAG) bruker krystaller som forsterkningsmedium og kan generere kort-puls eller ultrakort-pulslasere, egnet for mikro-bearbeidingsscenarier. Valget av en laser må være basert på en omfattende vurdering av materialets absorpsjonsegenskaper for bølgelengde (f.eks. kobber og aluminium har høy reflektivitet til 10,6μm CO₂-lasere, noe som gjør dem mer egnet for fiberlasere), nødvendig prosesstykkelse og presisjon. Dette er kjerneutførelsen av prinsippet om "energikildetilpasning" i design.
Laseroverføring og fokusering er avgjørende for presis energitilførsel. Stråleutgangen fra laserresonanshulrommet må overføres til prosesseringshodet via optiske elementer som kollimerende speil og reflekterende speil. Deretter konvergerer et fokuseringsspeil (vanligvis en konveks linse) den divergerende strålen til et punkt med en diameter på titalls til hundrevis av mikrometer. Forholdet mellom punktdiameteren (d), brennvidden (f) og den innfallende strålediameteren (D) følger linsebildeformelen (d≈f·θ, der θ er stråledivergensvinkelen), og bestemmer direkte energitettheten (E=P/(πd²/4), der P er laserkraften)-jo mindre og lettere er det å oppnå punktstørrelsen. høy-skjæring. Designet krever valg av brennvidde basert på behandlingsområdet og presisjonskrav (korte brennvidder resulterer i et lite fokuspunkt, men liten fokusdybde, egnet for presisjonsskjæring av tynne plater; lange brennvidder har stor fokusdybde, egnet for stabil behandling av tykke plater). Dynamisk fokuseringsteknologi (som automatisk justering av brennpunktsposisjonen langs Z--aksen til prosesseringshodet for å følge overflatebølgene til platen) brukes for å kompensere for energidempning forårsaket av ujevnheter i platen, og sikrer energiensartethet i aksjonsområdet.
Samhandlingsmekanismen mellom energi og materiale bestemmer skjæreprosessens fysiske natur. Når en laserstråle bestråler materialets overflate, absorberes energi og omdannes til varme, noe som får den lokale temperaturen til å raskt stige til smeltepunktet eller til og med kokepunktet (smeltepunktet til de fleste metalliske materialer er over 1000 grader, og kokepunktet kan nå 3000 grader). For materialer med lav varmeledningsevne (som rustfritt stål), konsentreres varmen i flekkområdet, noe som muliggjør rask smelting; for svært reflekterende materialer (som aluminium og kobber), er det nødvendig å øke lasereffekten eller bruke en pulsert modus (ved å bryte gjennom refleksjonsterskelen med toppeffekt) for å forbedre energiabsorpsjonen. Smeltet metall blåses bort fra snittet av en hjelpegass (oksygen, nitrogen eller trykkluft): oksygen reagerer eksotermt med jern (oksidasjon), og gir ekstra skjæreenergi, egnet for høyhastighetsskjæring av lett oksiderte materialer som karbonstål; nitrogen, som en inert gass, fjerner slagg med kun kinetisk energi, unngår oksidasjon og resulterer i et misfarget kutt av høy-kvalitet, egnet for bruksområder som krever høy overflatekvalitet, som rustfritt stål og aluminiumslegeringer. Designet må samsvare med typen og trykket til hjelpegassen basert på materialets termiske ledningsevne, spesifikke varmekapasitet og oksidasjonsegenskaper-for lavt trykk vil resultere i slaggrester, mens for høyt trykk kan føre til et for bredt snitt eller materialtap. Numeriske simuleringer (som beregningsvæskedynamikk (CFD)-analyse av gassstrømfeltet) er nødvendig for å optimalisere dysestrukturen og luftstrømretningen for å sikre effektiv slaggfjerning uten å forstyrre den optiske banen.
Den koordinerte utformingen av prosessparametere er kjernen for å oppnå stabil skjæring. Laserkraft (P), skjærehastighet (v), pulsfrekvens (f) og driftssyklus (η) må samsvare: kraft bestemmer den totale energitilførselen per tidsenhet, hastighet påvirker energiens varighet (energi per lengdeenhet=E/v), og begge bestemmer sammen om materialet er fullstendig smeltet/fordampet. I pulsmodus kontrollerer frekvens og driftssyklus enkelt-pulsenergien (E_puls=P × η/f) og pulsintervallet for å unngå varmeakkumulering forårsaket av kontinuerlig oppvarming (f.eks. ved skjæring av tykke plater kan lavfrekvens og høy driftssyklus redusere bredden på den varmesonen -). Designet bør bruke ortogonal eksperimentell design eller maskinlæringsalgoritmer for å etablere en «material{10}}tykkelse{11}}parameter-database. For eksempel, for 3 mm tykt 304 rustfritt stål, kan optimalisering av parameterkombinasjonen til 1200 W effekt, 2 m/min hastighet og 0,8 MPa nitrogentrykk oppnå høy-kvalitet med en tverrsnittruhet Ra mindre enn eller lik 12,5 μm.
Oppsummert er designprinsippet for laserskjæring en fler-dimensjonal synergi av "energikildekarakteristikker, optisk baneoverføring, materialinteraksjon og parametertilpasning." I hovedsak forvandler den abstrakt "lysenergi" til kontrollerbar "behandlingskraft" gjennom presis kontroll av laserfysiske egenskaper og materialadferd, og oppnår til slutt effektiv og høy-presisjonsforming av komplekse konturer. Den kontinuerlige utviklingen av dette prinsippet (som femtosekund/picosecond-pulser i ultraraske lasere for å undertrykke termisk diffusjon og sanntidsparameteroptimalisering ved hjelp av intelligente algoritmer) utvider stadig bruksgrensene for laserskjæring, noe som gjør det til en uunnværlig kjerneteknologi i avansert produksjon.
