淺論固體激光切割加工效果的影響因素

茍 剛 劉 勇

(西華大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川 成都 610039）

激光技術(shù)是自20 世紀(jì)60年代初問(wèn)世后便發(fā)展迅猛的一門(mén)新興科學(xué)技術(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，激光切割加工是激光行業(yè)應(yīng)用最為廣泛也是最重要的一項(xiàng)特種加工技術(shù)，占整個(gè)激光加工的70%左右。與傳統(tǒng)的切割方法相比，其具有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）速度快，用1200W 激光功率切割2mm 厚的碳鋼板速度可達(dá)5～6m/min，切割5mm 厚的有機(jī)玻璃速度可達(dá)12m/min；（2）切割質(zhì)量好，切口寬度窄(一般為0.1～0.5mm）、切口表面粗糙度良好（一般Ra 為3.2～25um）；（3）效率高，激光切割無(wú)需刀具和模具，是非接觸加工；（4）柔韌好，結(jié)合CAD 技術(shù)，可以切割任意形狀、尺寸的板材[1]。激光切割過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，J Fieret 先生曾總結(jié)了近50 種影響因素[2]。在眾多影響因素中，主要為切割速度、激光功率、焦距位置和輔助氣壓。本文綜述了國(guó)內(nèi)外激光切割的現(xiàn)狀，分析了各參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 激光切割技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，激光切割技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展迅速，從2011年中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)（CIIF2011)之金屬加工與數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)上看出，激光加工機(jī)床在金屬和非金屬加工中占據(jù)了相當(dāng)大的比重。其中在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用最具有代表性，從汽車(chē)頂棚的激光焊接、擋風(fēng)板的激光切割、底板的激光拼焊以及車(chē)身覆蓋件三維輪廓的激光切割等。激光切割加工中沒(méi)有“刀具”的磨損，工件不受切割力的影響。相對(duì)傳統(tǒng)方法，激光切割的切割效率可以提高8～20 倍，更能夠節(jié)省15%～30%的材料。歐洲、美國(guó)、和日本等工業(yè)較發(fā)達(dá)國(guó)家的激光加工機(jī)和工業(yè)激光器的生產(chǎn)和銷(xiāo)售也在逐年遞增，應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。在全球用于激光加工領(lǐng)域的工業(yè)激光器中有超過(guò)40 %的激光器是用來(lái)作切割的。相比而言，日本在激光加工工藝等方面的研究更是走在世界的前列，在車(chē)門(mén)制造過(guò)程中使鋼板切割、焊接和壓模成形一體化，而且取得了很大的進(jìn)展[3]。

在激光切割工藝研究方面，主要集中對(duì)激光輸出功率、焦點(diǎn)位置、激光模式以及噴嘴形狀等問(wèn)題的研究。早在20 世紀(jì)70～80年代，美國(guó)、日本以及德國(guó)等國(guó)家已經(jīng)在大量切割工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立激光切割工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，在90年代初期國(guó)外就相應(yīng)推出了一些高性能的激光切割系統(tǒng)[4]。

國(guó)內(nèi)激光切割機(jī)技術(shù)含量和質(zhì)量較高的制造商寥寥無(wú)幾，且大多停留在中低水平。目前主要集中在樣板的切割與覆蓋件的下科，在激光三維切割技術(shù)方面的研究與應(yīng)用才逐漸起步。國(guó)產(chǎn)激光切割機(jī)的激光器功率較低，最大僅能達(dá)到4000W，而國(guó)際上先進(jìn)的激光器即德國(guó)通快公司制造的激光器最大功率已經(jīng)達(dá)到了20000W。同國(guó)外激光切割機(jī)相比表現(xiàn)為切縫寬，表面質(zhì)量、機(jī)械精度、整機(jī)的穩(wěn)定性、柔性較差。因此，繼續(xù)深入研究和開(kāi)發(fā)較高質(zhì)量的國(guó)產(chǎn)激光切割機(jī)是一項(xiàng)非常重要和迫切的任務(wù)。

2 激光切割參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響

2.1 切割速度的影響

激光切割加工中，切割速度對(duì)切割材料的質(zhì)量有相當(dāng)大的影響，理想中的切割速度會(huì)使切割面呈現(xiàn)比較平穩(wěn)的線條，且材料下部不會(huì)出現(xiàn)熔渣。當(dāng)輔助氣體氣壓和激光功率一定時(shí)，切割速度與切縫寬度呈現(xiàn)出一種非線性的反比關(guān)系，當(dāng)切割速度比較慢時(shí)，激光能量在切縫的作用時(shí)間延長(zhǎng)，從而導(dǎo)致切縫寬度增大，當(dāng)速度過(guò)慢時(shí)，激光束作用時(shí)間太長(zhǎng)，工件的上切縫和下切縫相差就會(huì)很大，切割的質(zhì)量下降，生產(chǎn)效率也將大大降低。隨著切割速度的升高，激光束能量在工件上的作用時(shí)間變短，這樣便使得熱擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)效應(yīng)變小，從而切縫的寬度也相應(yīng)變小。當(dāng)速度過(guò)快時(shí)，被切割的工件材料就會(huì)由于切割熱量輸入的不足出現(xiàn)切不透的情況，這種現(xiàn)象屬于不完全切割，并且熔化的材料不能及時(shí)被吹掉，這些熔融物將會(huì)使切縫重新焊接。

2.2 焦點(diǎn)位置的影響

焦點(diǎn)位置是激光焦點(diǎn)到工件表面的距離，它直接影響到切面粗糙度、切縫的坡度和寬度以及熔融殘?jiān)母街鵂顩r。如果焦點(diǎn)位置太超前，這樣會(huì)使被切割的工件下端所吸收的熱量增多，在切割速度和輔助氣壓一定的情況下，會(huì)導(dǎo)致被切割的材料和切縫附近被融化的材料呈液態(tài)在下表面流動(dòng)，冷卻后被熔化的材料則會(huì)呈球狀沾附在工件的下表面；若位置滯后，被切割的材料下端面所能吸收的熱量減小，這樣切縫中材料就不能完全融化，在板材下表面就會(huì)粘附一些尖銳而短小的殘?jiān)ＭǔＧ闆r下，焦點(diǎn)位置應(yīng)在工件表面或稍微偏下一點(diǎn)，但不同的材料要求不一樣，切割碳鋼時(shí)，焦點(diǎn)在板材表面時(shí)切割質(zhì)量較好；而不銹鋼切割時(shí)，焦點(diǎn)應(yīng)在板材厚度的1/2 左右時(shí)效果更佳。

2.3 輔助氣壓的影響

激光切割加工中，輔助氣壓能吹掉切割時(shí)的熔渣并冷卻切割的熱影響區(qū)。輔助氣體包括氧氣、壓縮空氣、氮?dú)夂投栊詺怏w等。對(duì)于部分金屬材料和非金屬材料，一般使用的是惰性氣體或壓縮空氣，能夠防止材料燃燒。如鋁合金材料的切割。對(duì)絕大多數(shù)金屬材料則使用活性氣體（如氧氣），這是由于氧氣能夠氧化金屬表面，提高切割效率。當(dāng)輔助氣壓過(guò)高時(shí)，材料表面出現(xiàn)渦流，削弱去除熔融物的能力，導(dǎo)致切縫變寬，切割面粗糙；當(dāng)氣壓過(guò)低時(shí)，不能完全吹走熔融物，材料下表面就會(huì)粘附沾渣。因此，切割時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)輔助氣體壓力，得到最佳的切割質(zhì)量。

2.4 激光功率的影響

激光功率的大小對(duì)切割速度、切縫寬度、切割厚度和切割質(zhì)量都有相當(dāng)大的影響。所需功率的大小是根據(jù)材料的特性和切割的機(jī)理而定。比如導(dǎo)熱性能好和熔點(diǎn)高以及切割表面反射率高的材料需要較大的激光功率。一般在其它條件一定的情況下，激光切割加工中有一個(gè)獲得最佳切割質(zhì)量的激光功率，進(jìn)一步降低或提高功率就會(huì)產(chǎn)生掛渣或過(guò)燒現(xiàn)象而導(dǎo)致加工質(zhì)量下降。

此外，隨著放電電壓的增加，激光的強(qiáng)度會(huì)因?yàn)檩斎敕逯倒β实纳叨岣撸瑥亩獍叩闹睆皆龃?，切縫的寬度相應(yīng)增大；隨著脈沖寬度的增加，激光的平均功率會(huì)提高，激光切縫的寬度加大；通常下，隨著脈沖頻率的增大，切縫也會(huì)變寬，當(dāng)頻率超過(guò)一定值后，切縫寬度會(huì)出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際生產(chǎn)中，無(wú)論是什么樣的加工方法，最終的加工質(zhì)量都會(huì)受到各種因素的影響。影響激光切割加工質(zhì)量的因素也有多種，通過(guò)對(duì)這些因素的分析，能夠有效地控制和保證激光切割加工的質(zhì)量。對(duì)制造商而言，應(yīng)該考慮更多的影響因素，為制造領(lǐng)域提供更好性能的設(shè)備；對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，在使用設(shè)備加工時(shí)，應(yīng)根據(jù)零件加工的要求和材料的特性，通過(guò)理論參考和實(shí)驗(yàn)的方法選擇出最佳的切割參數(shù)，以獲得更高的質(zhì)量和生產(chǎn)率。

［1］鄢挫，李力均，李娟等.激光切割板材表面質(zhì)量研究綜述[J].激光技術(shù)，2005，29(3)：270-274.

［2］J FIERET，M J TERRY，B A WARD.Aerody namic interactions during laser cutting[J].SPIE，1986，668：53-62.

［3］孫曉東，王松，趙凱華.激光切割技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].熱加工工藝，2012，41(9)：214-216.

［4］蘭天亮.三維激光切割鈑金件的夾具設(shè)計(jì)方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.