葉 暢，尹昭輝，季進軍

（江蘇省電子產品裝備制造工程技術研究開發中心，江蘇 淮安 223003）

激光切割在現代工業中得到廣泛應用，激光切割設備占整個激光加工設備比例達70%以上[1]。隨著生產的發展和新工藝的應用，對切割品質的要求越來越高，這對切割工藝規范的選取提出了更高的要求。但是激光切割品質受到各種因素的影響，為了獲得理想的切割品質，各個切割參數被限制在一個很窄的范圍內。因此對影響激光切割表面品質的主要因素，如工作氣體、激光功率、輔助氣體、焦點位置及切割速度進行實驗分析對比，研究出相應條件下的加工最優工藝參數，對保持切割品質穩定尤為重要。

1 激光切割質量的評價指標[2,3]

關于評價切割質量的主要指標，作如下闡述。

1.1 激光切割缺陷

（1）過燒。由于激光功率過大或切割速度過慢，使工件的熔化范圍大于高壓氣流所能吹除的范圍，熔融金屬未能被氣流完全吹除，產生過燒，如圖1 所示。

圖1 過燒

（2）掛渣。輔助氣體氣流，未能將切割過程中產生的熔化或汽化的材料徹底吹除，而在切割面的下緣附著熔渣的現象，稱為掛渣。如圖2 所示。

圖2 掛渣

1.2 可量化的切割品質指標

（1）切割表面粗糙度。是反映切割品質的一個重要指標，用Rz 表示。

（2）切口寬度。切口寬度主要取決于光束模式和聚焦光斑的直徑，切割參數也有一定影響。

（3）切口錐度。當切割參數選擇不當，或輔助氣體壓力不足時，切口容易呈上寬下窄的錐度，如圖3 所示。但對薄板切割來說，這不是一個很難解決的問題。

圖3 切口的錐度

1.3 切割面粗糙的評價基準

對于厚度在2 mm 以上的板材激光切割，切割面粗糙度分布是不均勻的，沿厚度方向差別很大，切割面的形貌分為截然不同的兩部分，上部表面平整光滑，切割條紋整齊、細密，粗糙值小；下部分切割條紋紊亂，表面不平整，粗糙度值大。如圖4 所示。

圖4 采用不同切割參數的切割面形貌

由此可見，靠近下緣位置，是切割面粗糙度值最大位置，是切割面品質的薄弱環節，因此在評價切割面品質時，應以下緣表面為基準，目前國內多采用聚下緣1/3 處的粗糙度為基準。

2 影響切割品質的主要因素分析

影響激光切割品質的主要因素，大致可分為兩類：激光切割系統性能的影響和激光切割參數的影響。本文主要研究激光切割參數對切割品質的影響。

2.1 焦點位置對切割面粗糙度的影響分析

選取激光功率500 W，對2.3 mm 厚軟鋼進行切割實驗，切割速度2 m/min，焦點距離63.5 mm。實驗得出點陣圖如圖5 所示。

圖5 焦點位置對切口表面粗糙度的影響[6]

分析得出結論：由圖5 得出切口光潔范圍是：0.988＜ab＜1.003，所以一般切割常將焦點置于工作表面下1mm 的范圍。

2.2 激光功率和切割速度對切口寬度的影響分析

分別試用激光功率400 W、600 W、800 W、1 200 W、1 600 W 切割機，對1 mm 厚低碳鋼板進行切口實驗；另用激光功率600 W 采用不同切割速度切割機，對1 mm 厚低碳鋼板進行切口試驗實驗。兩數據如表1、表2 所列。

表1 不同功率產生的切口寬度數據記錄表

表2 不同切割速度產生的切口寬度數據記錄表

分析以上兩表格數據，可得出結論：切口的寬度隨激光功率的增加而增大，隨切割速度增加而減小。

2.3 激光功率對切割面粗糙度的影響[2]

分別試用400W、600W、800W、1 000W、1 200W、1 600W 幾個激光功率，采用3 m/min 的切割速度，對2 mm 厚低碳鋼板進行切割實驗，分析近下緣處粗糙度。分析數據如表3 所列。

表3 不同功率切割產生切割面粗糙度數據記錄表

分析表3 數據，可得出結論：

（1）激光功率太小，熱量不足，越靠近下緣熔融產物溫度越低，因而未能被高壓氣流徹底吹除，而滯留在切割下緣產生掛渣[5]；

（2）激光功率太大，造成熱輸入過大，使工件的熔化范圍大于高壓氣流所能驅除的范圍，熔融金屬未能被氣流完全吹除，而產生過燒。

（3）由表3 數據可以看出，有一個最佳激光功率范圍（800～1 000 W），此處切割面粗糙度最小。

2.4 切割速度對切割面粗糙度的影響

選試用1 000 W 激光功率，采用不同的切割速度，對2 mm 厚低碳鋼板進行切割實驗，分析近下緣處粗糙度。分析數據如表4 所示。

表4 不同切割速度產生切割面粗糙度數據記錄

分析表4 數據，可得出結論：與選擇不同功率類似，切割速度太小，會產生過燒；切割速度太大，會掛渣，近下緣的粗糙度都很大。在所選切削速度范圍內，有一個最佳切割速度50 mm/s。

3 結束語

（1）用1 000W CO2激光器切割2 mm 低碳鋼時，用O2做輔助氣體，ab=1，切割速度50 mm/s 時，可得到最佳的切割品質。

（2）實驗證明，在激光切割過程中，激光功率、掃描速度、離焦量、吹氣量、板材厚度以及材料本身的特性等諸多因素，影響著切口的品質。其中，最為顯著的是切割速度、輸出功率和板材的厚度。為保證產品的技術性，獲得良好的切割品質，需要選擇合適的切割速度；同時為提高產品的經濟性，提高工效，降低成本，還需要在保證品質的前提下，盡可能縮短切割時間。

（3）隨著激光切割工藝的完善，激光切割以逐步從試驗轉化為工業化生產力，從一般的工業應用向精細加工領域發展。

[1]陳武柱.激光焊接與切割質量控制[M]. 北京：機械工業出版社，2010.

[2]張永強.激光切割質量同軸視覺檢測與控制研究[D].北京：清華大學機械工程系，2006.

[3]張永強，吳艷華，陳武柱，等. 激光切割質量在線評價方法的研究[J].中國激光，2006，33（11）：1581-1584.

[4]閆 禾，等.高功率激光加工及其應用[M].天津：天津科學技術出版社，1992.

[5]Miyamoto I，et al. The Mechanism of Laser Cutting[J]. Welding in the World，1991，29(9-10)：283-294.