不同材料激光切割加工的工藝研究

摘 要：目前，在航空發動機產品中，很多零件需要進行孔的加工，為了高效、準確的加工出高質量的孔，激光切割無疑是較好的加工方法，本文根據我公司研制產品結構及設計要求開展了針對航空產品加工孔時進行不同材料的工藝研究，闡述了激光切割的基本原理，確定了不同金屬板材激光切割工藝試驗方案，得出了工藝試驗研究的結論。

關鍵詞：材料；激光切割；工藝研究

1 激光是原子核外電子受激輻射經光放大而形成的光輻射。它能有效地解決傳統加工方法無法解決的問題，尤其是那些高硬度、高脆性材料的切割加工。

1.1 激光切割的過程

激光是利用經過聚焦的高功率激光束（常用C02連續或YAG脈沖激光）照射被加工物體表面，并輔助同軸噴射具有一定壓力的氣體（可以是壓縮空氣、氧氣或惰性氣體如氮氣、氬氣等），光束的能量以及活性輔助氣體與工件材質發生化學反應的反應熱被材料吸收，使材料熔化甚至汽化，隨著光束與工件的相對移動，最終在工件上形成切縫。

1.2 激光切割的特點

與線切割、慢走絲、電脈沖等切割方法相比，激光切割無磨損、零件不受外力，效率高，噪聲低，精度高，生產成本低，質量可靠等優點；與電子束相比，激光加工不受電磁干擾。

目前所涉及激光切割加工的產品共30余種零件，涵蓋了靜子環、導向器、擴壓器、燃燒室、風扇機匣等產品；材料主要分為3類：不銹鋼、鈦合金、高溫合金；加工的結構主要為切不同形狀的孔。

2 激光切割原理與試驗

2.1 激光切割

激光對材料的切割實質上就是對材料進行破壞。激光束打到工件表面，工件表面就會吸收和反射激光，這種吸收和反射主要取決于工件的材料種類。工件表面吸收激光能量，使自身溫度上升，從而改變工件的結構和性能，造成不可逆的破壞。

激光切割大致可分為汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制斷裂切割四類。本文涉及到的激光切割屬于熔化切割，就是利用一定功率密度的激光束加熱工件使之熔化，形成孔洞，同時依靠非氧化性輔助氣流把孔洞熔融材料吹除、帶走，形成割縫。

2.2 試驗條件

2.2.1 試驗設備

本試驗使用的激光切割設備為德國DMG公司的LASERTEC 80FC。LASERTEC 80FC配備的激光器為Lasag 系列的FLS352N 激光發生器。

2.2.2 試片材料及規格

工藝試驗是依據公司產品的材料、結構等特點進行制作，材料主要為不銹鋼、鈦合金、高溫合金，每種的厚度都為（1，1.5，2，2.5，3，單位為mm）。

2.2.3 去離子水濃度

去離子水濃度要求2微西門子以下，最高不要超過5微西門子。

3 激光切割工藝試驗方案

3.1 工藝試驗問題點

工件在切割前，要對工件的加工工藝點進行分析，如工件的材料、厚度、切割路徑、尺寸精度、切割質量因素影響（含氣體的種類、壓力、純度等）等。零件的輪廓精度主要靠數控系統來保證。

零件的尺寸精度主要取決于工作臺的機械精度和系統控制精度，而影響切割表面質量的因素很多，如激光、聚焦透鏡、機械控制系統、材料、工藝參數等。

3.2 激光切割質量檢驗標準

切割質量主要對切口表面形貌（波紋度、表面粗糙度）、切口的垂直度、背面掛渣量、尺寸精度等要素來評價。我公司產品切口表面質量的檢驗方法有兩種：一是目視檢查；二是重熔層檢查。

3.3 打孔點位置

激光切割要從一個起始點開始切割，這個點被稱為打孔點，即指激光束開始一次完整的輪廓切割之前在板上擊穿的一個很小的孔，又被稱為引弧孔或切割起始孔。對于一般精度較高的產品都將打孔點設置在板材廢料區以保證加工質量，同時要插入必要的切割引入、引出線。

3.4 光束半徑補償

由于激光束存在發散現象，因此聚焦后不可能是一個幾何點而是一個具有一定直徑的光斑，精密切割時為滿足零件的尺寸要求必須對其進行半徑的自動補償，在實際的激光切割中，光斑直徑一般在0.1-0.2mm，自動補償時激光束中心軌跡偏離理論輪廓一個光斑半徑，并對偏移后的中心軌跡進行處理。激光束的半徑補償同其他刀具半徑補償一樣，在程序中置入所采用的加工刀具的半徑值。

3.5 激光功率

激光切割機在加工過程中存在最佳的功率范圍，當功率較小時，光束的能量不足使金屬快速熔化，同時輔助氣體的壓力不能很快清除熔融金屬，使切割表面粗糙度增大；隨著激光功率的增大，開始獲得較好的切口質量；當激光功率進一步增大時，單位時間內切割光斑中心處的能量密度增大，作用在材料單位面積上的激光能量增加，產生的熱量增加，板材的熔化量也隨著增大，但由于熔化物流動性差，致使熔渣不能及時排出，而且輔助氣體的流量不能足以及時冷卻切口會使切口產生燒灼現象，出現不規則紋理，從而引起切口表面質量的下降。

3.6 切割速度

切割用的激光束能量呈高斯分布，切割速度過高，激光與材料相互作用的時間短，作用于工件表面上起作用的有效的光斑面積減小，切口寬度相應的減小，而光束的照射點向切口前沿靠近，切口前沿的熔化速度跟不上激光束的前移速度，切口出現后拖線，切口表面粗糙度增加和切口下部出現掛渣；切割速度過低，激光與材料相互作用的時間加長，對材料起作用的有效光斑的面積增大，切口寬度自然隨之增大，而此時切割速度跟不上熔化速度，過剩的反應熱使切口發生過度熔化，熱影響區隨之增大，從而形成較寬的、不整齊的切口。

3.7 輔助氣體種類、壓力

激光切割需用輔助氣體，對輔助氣體的基本要求是：進入切口的氣流量要大，速度要高，主要涉及到輔助氣體的種類、壓力和純度。輔助氣體的主要作用有幾點：（1）充足的氣體將熔融材料噴射帶出；（2）冷卻作用；（3）有利于提高工件對激光的吸收率；（4）提高切割速度；（5）獲得更佳的切割質量。保護氣體我們常用氮氣、氬氣和氧氣，壓力為10-15Bar。

綜上所述，激光功率、切割速度、輔助氣體壓力等對切縫質量均有較大影響，除此之外，光束直徑、散焦量等參數對切割質量均有一定程度的影響，在試驗中使用的設備為LASERTEC 80FC，激光功率通過調節脈寬、頻率、電壓進行控制。進給速度、輔助氣體壓力在數控程序中自行設定。

4 激光切割試驗及結果

本試驗根據試驗方案進行展開，分別對不銹鋼試片、高溫合金試片和鈦合金試片進行了激光切割試驗。

將工藝試驗中確定的工藝參數及數控程序用于加工相同材料及厚度的正式產品，可得到相同的表面質量和尺寸精度，所以在加工正式產品前一般都先對相同材料及厚度的試片進行試切，以降低廢品率和生產成本。

5 結論

本文針對不銹鋼、鈦合金、高溫合金板材進行激光切割試驗研究，通過試驗得出如下主要結論：

5.1 脈寬、頻率、電壓、激光功率、切割速度、保護氣體壓力等工藝參數的確定只與零件材料及厚度有關，與切縫形狀及大小無關。

5.2 在加工每批正式產品前，先對相同材料及厚度的試片進行試切，切割質量穩定后，固化加工參數和數控程序。

在今后的工作中，繼續在航空產品中，開展不同材料、不同厚度的激光切割試驗，建立激光切割工藝參數數據庫；開展激光三維切割及打孔工藝技術研究。

總之，在產品研制過程中，激光加工工藝技術在某些方面將逐步替代，而且一定會起到越來越關鍵的作用。

參考文獻

[1]張永康.激光加工技術[M].北京：化學工業出版社，2004.

[2]LASERTEC 80FC激光切割機培訓教程.DMG公司培訓教材.2008.