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木材切削原理与木工刀具(266)一一激光功率!

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发表于 2019-5-30 08:11:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
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11.2.3.1激光功率

从最简单的理论模型考虑,假设所有吸收的激光能量全用于熔化或汽化材料,而没有辐射、对流和传热的损失,则可获得下式:

P= nOWy(C△T+Ly+mL.)

式中:

P一吸收功率,P=P(1+y),P为入射功率(W),y为反射率<br><br>

切割进给速度(m/min);<br><br>

切割深度(mm)<br><br>

p工件密度(kg/m3);<br><br>

C—工件比热;<br><br>

△—升至熔点的温度T.区间(K)<br><br>

L熔化潜热<br><br>

m2熔化后再汽化的质量百分比;<br><br>

L—汽化潜热<br><br>

上式两边同时除以Ua得

<br><br>=nWp(C△T+L+m'L.)<br><br>

当达到最大切割速度(即切割深度正好等于工件厚度时的切割进给速度)时,可把上式右边各项近似看做常数,作为一近似解,对给定工件材料同样可设P∥,方常数根据这一简单理论模型,对给定的工件材料而言,激光功率越大,则最大切割进给速度就越大,换言之,当切割进给速度一定时,可切割的工件厚度就越大。

⊥ E. Harry早在1971年就用切割试验证实了这一点,其使用的CO2激光器输出功率为240W,辅助气体为压缩空气,试材为南方松,试验结果表明在工件切透的条件下,最大切割速度随着工件厚度的降低而提高。

工件厚度为6.35mm和25.4mm时,切割进给速度分别为2.52m/mn和0.37m/min。在197年C. C. Peels用大功率(输出功率达5kW)激光器<br><br>进行木材及木质材料的切割试验,得到如下关系式:

U=6272.9/2(m/min)<br><br>

式中:

t一一切割深度(mm)。

在试材为黄杉、切割深度为12.7mm的情况下,还阐述了切割进给速度随着功率增加而迅速提高,其关系式为

U=4.24P1.35(m/min)

式中—激光输出功率(kW)。

激光输出功率和切割进给速度之间关系相当微妙。在其他条件不变的情况下,激光功率越大,切割进给速度越低,切割深度就越大;但切缝宽度和热影响区的深度也变大,同时切缝壁平行度R(R=W2/W1,即切缝上口宽度与下口宽度的比)也越差。

在切削深度不变的条件下,若要使切缝宽度W和热影响区深度达到最小,切缝壁平行度R等于1,则激光功率和切割速度存在最佳的匹配关系。当切割深度t=5mm,试材为连香木,切割面为弦切面,激光功率P=50W时,进给速度U、切割宽度W和切缝壁平行度R之间的关系如图11一11所示。若保证R=1,则可求出W=0.57和U=284mm/min。若改变P就可得到一系列的W和U。同理,若保证W为一定值,亦可得出相应的R和U。这样得出的切割速度就是该条件下的最佳切割速度,如图11-12所示。

激光功率、切割速度与切割深度的关系如图11一13所示。切割深度随着激光功率增加和切割速度降低而增大,但热影响区深度也随之增大。热影响区分为焦化区(破坏区)、中期热分解区和初期热分解区,其深度主要取决于单位切割功率。单位切削功可用下式计算:

0XKwSHly1om.jpg
&#8203;

0XKwSLWlEUS.jpg
&#8203;

0XKwSK9xd2m.jpg
&#8203;

式中:

P一激光输出功率(kW);

t一切割深度(mm);

W—切缝平均宽度(mm);

U—切割速度(m/min)。

表11一2列出了单位切削功与切割表面状态的关系。由该表可见,单位切削功越大,切割表面破坏就越严重,在焦化区内,材料处于热熔化状态,切割出的表面粗糙。

在中期热分解区,由于热熔化和热应力的作用,有少量的炭黑和龟裂。在初期热分解区,仅有热应力引起的小龟裂。用电子显微镜观察发现热破坏区只限于切割表面,没有引起基材的破坏,其深度为30-60um,而热影响区的深度根据激光功率、切割进给速度及工件热学性能和光学性能不同而变化。

0XKwSK5ZkYK.jpg
&#8203;


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