大功率碟片激光切割汽車零件工藝研究*

殷志雄，肖海兵

(江西五十鈴發動機有限公司，江西 南昌 330200)

大功率碟片激光切割汽車零件工藝研究*

殷志雄，肖海兵

(江西五十鈴發動機有限公司，江西 南昌 330200)

針對碟片激光切割加工工藝的復雜性，主要研究了大功率碟片激光切割理論與切割工藝。首先研究了大功率碟片激光器與切割碳鋼的工藝理論；其次研究了碟片激光氧化切割工藝與激光穿孔技術；最后通過碟片激光切割試驗臺，以汽車碳鋼零件為試驗對象，設計試驗方法與試驗流程，驗證了碟片激光切割碳鋼材料的速度與激光功率成正相關。選用合理的切割和穿孔參數解決了碟片激光器切割碳鋼穿孔等技術問題，提高了汽車零件的激光切割效率與切割質量。

碟片激光器；激光切割；切割工藝；切割穿孔；切割質量

激光切割是利用激光器輸出高能量密度的激光束，并聚焦在切割材料表面，使工件材料上被超細焦點光斑照射的區域融化和氣化。由于車輛零件要求精度高、誤差小，因此對激光切割提出了更高的要求。研究車輛碳鋼材料的切割對實際生產具有指導意義。

目前，H.Sotobayashi[1]研究了摻鉺光纖激光器，采用特殊工藝，在光纖芯層沉積中摻入極小濃度的鉺離子，制作出了摻鉺光纖。何煦輝等[2]研究了碟片式激光器及其在工業中廣泛的應用。陳根余等[3]總結了三維激光切割的應用，綜述了三維切割技術的發展。閻啟[4]通過汽車冷軋鋼板激光切割試驗，分析了激光切割工藝參數對粗糙度和切縫寬度等切割質量的影響。陳亞軍[5]研究了機器人光纖激光切割系統切割碳鋼工藝，通過試驗研究表明，大功率激光切割在碳鋼切割中具有切割效率高與速度快等優勢。Sparkes等[6]研究了激光切割不銹鋼，研究表明，改變氣壓、離焦點位置和噴嘴直徑等參數對切割質量有較大影響。

本文研究大功率碟片激光切割理論，探討碟片激光切割工藝。通過碟片激光切割試驗臺，研究切割工藝參數，優化大功率碟片激光切割工藝參數，以實現更好的切割效率與切割質量，滿足企業生產需要。

1 碟片激光切割理論模型

1.1 碟片激光器

新一代碟片激光器(Disk Laser)的棒狀晶體為碟片晶體。碟片激光器結構由抽運模塊、晶體腔體、諧振腔、光導纖維接口以及實時反饋控制系統組成。碟片式激光器把棒狀晶體吸收的功率壓縮到比棒狀晶體小得多的增益介質內部，以提高激光功率密度。碟片式激光器內部的實時反饋控制系統，提高了光電轉化效率。碟片激光器的工作物質通過外部的冷水機熱傳導冷卻，整個外光路通過光纖傳輸，封閉性好，提高了激光束質量[7]。

1.2 激光切割工藝

激光氧化切割使用氧氣等輔助氣體，在激光束的照射下，與氣體發生化學反應。激光氧化切割工藝參數影響著激光切割質量，工藝參數主要包括激光器功率、切割速度、焦點位置、輔助氣體壓力、穿孔參數和噴嘴直徑等。激光切割工藝表見表1。

碟片激光器輸出功率是影響激光切割質量的關鍵。激光切割所需要的激光功率主要取決于切割類型以及被切割材料的性質。輔助參數有焦點位置、輔助氣體和噴嘴參數， 根據切割不同厚度板材選擇

表1 激光切割工藝表

不同切割焦點位置以及噴嘴直徑大小。穿孔技術參數有爆破沖孔和脈沖穿孔2種方式，穿孔切割參數包括氣壓大小、穿孔次數、穿孔時間和脈沖頻率等。脈沖穿孔技術是每個脈沖激光產生小的微粒噴射，逐層深入進行切割。

在脈沖穿孔方式中，碟片式激光器快速地開起和關斷。脈沖參數、頻率和占空比設定由開起時間和關斷時間決定，以開起時間和關斷時間來計算頻率并確定運行情況。

f=1/(t開+t關)

(1)

μ=(t開×100)/(t開+t關)

(2)

式中，f是激光頻率；μ是占空比；t開是開起時間；t關是關斷時間。

2 實例分析

碟片激光切割試驗臺示意圖如圖1所示。大功率碟片激光切割試驗臺由激光器、機床、操作系統、交換工作臺和除塵系統等部分組成。激光器采用TruDisk2000，通過穩壓電源供電以及冷水機進行冷卻。機床部分由床身X軸、橫梁Y軸、Z軸、導軌和底座等組成；除塵系統通過鼓風機抽取廢氣排出；激光切割機的切割功能和切割精度是由主機部分來實現的；交換工作臺分為切割工作臺與上料工作臺，通過液壓控制臺實現。激光器TruDisk2000參數見表2。

圖1 碟片激光切割試驗臺

表2 TruDisk2000 參數

2.1 試驗流程

在激光切割試驗過程中，首先根據切割模型，繪制、檢查與編輯圖形；其次設置工藝參數，在切割穿孔過程中，調節穿孔參數，優化穿孔切割；然后手動設置原點，仿真模擬邊檢，自動加工控制，查看切割效果。根據切割效果，調整切割工藝參數，使得切割滿足要求。激光切割流程如圖2所示。

圖2 激光切割流程圖

2.2 試驗分析結果

試驗分別切割2、4、6、8、10和12 mm的Q235碳鋼，分別采用0.8、1.6和2 kW不同功率進行試驗切割。切縫相同，選擇不同的碳鋼厚度，調整切割功率與切割速度，得出切割功率、切割速度與切割碳鋼厚度關系的變化；激光切割功率與切割速度、切割厚度的關系如圖3所示。

圖3 切割功率與切割速度、切割厚度的關系

選擇某2種類型的汽車零件(個)，材料均為碳鋼(個)。對于8 mm的板厚，設置切割功率1 700 W，噴嘴尺寸1.0 mm，氣壓0.075 MPa，切割高度0.8 mm，采用3次穿孔(參數見表3)。

表3 穿孔切割工藝參數

激光切割效果通過切口寬度、精度和表面粗糙度等進行評價。激光切割效果如圖4所示，激光切割孔中心距誤差精度為0.1～0.4 mm，切口表面粗糙度為Ra(12.5～25) μm，切割表面沒有熔化層與熔渣，切割質量滿足裝配要求。

圖4 激光切割效果

3 結語

在碟片激光切割過程中，切割速度與激光功率和切割材料等密切相關。選擇合理的工藝參數，控制好焦點位置與穿孔參數，可以取得較好的切割效果。試驗表明，碟片激光切割具有變形小、切割精度高、切割速度快及切割效率高等優點。

[1] Sotobayashi H, Gopinath J T, Takushima Y,et al.Broad-Band wavelength-tunable，single frequency and single polarization bismuth oxide-based erbium-doped fiberlLase[J]. IEEE Photonics Technology Letter，2004,16(7):1628-1630.

[2] 何煦輝.碟片激光器及其在工業中的應用[J].激光與光電子進展，2009,7(21)：64-66.

[3] 陳根余，曹茂林，黃豐杰. 三維激光切割的應用和研究[J].激光與光電子學進展，2007，44(3)：38-42.

[4] 閻啟，劉豐.工藝參數對激光切割工藝質量的影響[J].應用激光，2006(6)：80-82.

[5] 陳亞軍.機器人光纖激光切割系統切割碳鋼工藝研究[D].鎮江：江蘇大學，2011.

[6] Sparkes, Martin,Gross, et al. Practical and theoretical investigations into inert gas cutting of 304 stainless steel using a high brightness fiber laser[J].Journal of Laser Applicaton,2008,20:59-67.

[7] 宋祥.高功率碟片式激光器諧振設計及實驗研究[D].武漢：華中科技大學，2012.

*中央高?；究蒲袠I務基金項目(2014ZB0023)

責任編輯馬彤

《新技術新工藝》雜志征稿啟示

《新技術新工藝》雜志是中國兵器工業新技術推廣研究所主辦的工業技術類期刊，自1981年國內外公開發行至今已二十余年，榮獲中國兵器工業集團公司優秀科技期刊一等獎，國家新聞出版總署“雙效期刊”，并連續幾年被評為中國科技核心期刊，中國科技論文統計源期刊、檢索源期刊。同時還被《中文科技期刊數據庫》、《〈中國核心期刊(遴選)數據庫》、CEPS中文電子期刊、中國學術期刊(光盤版)電子雜志社收錄。為加強學術交流,促進制造業的發展,熱忱歡迎高等院校的科技工作者和企業技術人員踴躍投稿。

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ResearchonHighPowerDiskLaserAlctoPartsCuttingProcess

YIN Zhixiong， XIAO Haibing

(Jiangxi ISUZU Motors Co.,Ltd., Nanchang 330200, China)

Focused on complexity of disk laser cutting process, high power disk laser cutting technology was studied. Firstly, high disc power laser and cutting theory was studied. Secondly, the oxidation cutting process and perforation cutting were researched. Finally, through disk laser cutting test, taking the auto carbon steel material parts as test object and designing cutting process, the perforation of the disc type laser cutting carbon steel technical problem was solved by choosing reasonable cutting process parameters. The results showed that high power disk laser cutting with high efficiency and quality can achieve the best cutting technology of auto carbon steel parts.

disk laser, laser cutting, cutting technology, perforation cutting, cutting quality

TH 162

：A

殷志雄(1968-)，男，工程師，主要從事柴油機設計與先進制造技術等方面的研究。

肖海兵

2014-10-18