6mm 厚Q235鋼CO2激光切割的質量控制

姚志遠

（常德煙草機械有限責任公司，湖南 常德 415000）

引言

隨著我國煙草工業不斷深入發展，對煙草機械的要求也隨之增加。激光切割技術在煙草機械鈑金結構件的展開加工中起到了至關重要的作用。激光切割以切割范圍廣、速度高、切縫窄、熱影響區小、加工柔性好等優點廣泛應用于各種加工領域，是激光加工中發展最為成熟的一種技術。不僅提高了生產效率，也對展開圖形的外觀尺寸提供了最大限度的保證。激光切割具有速度快、切割割縫細、表面質量好、熱變形小和操作方便等優點，在常德煙草機械有限公司（后簡稱公司）鈑金生產中得到廣泛使用。同時，激光切割的工藝參數對表面質量的優劣起到了決定性作用，由于機型限制，在切割一些較厚板材時，會使切割質量下降，加大了后續工序的工作量，因此，現以6mm厚Q235鋼為實驗板材，分析影響切割質量的主要因素，得到一組合理的工藝參數，解決了公司較厚板材切割質量差的難題。

1 實驗方法及結果

1.1 試驗方法

該實驗主要考察氣體壓力、激光功率、切割速度等三個因素對切割表面質量的影響，通過對表面粗糙度、光潔度以及切口平行度的檢查，對比分析，得到較好的工藝參數組和范圍。為了在實驗過程中減少其他因素對實驗過程的干擾，噴嘴到工件表面的距離始終設為2mm，氣體純度不變，其他影響因素均為相同定值［1］。待考察因素為變量時，其他兩因素值均不變。實驗材料為6mm 厚Q235鋼，化學成分見表1。

表1 Q235鋼板的化學成分 %

1.2 實驗結果及分析

1.2.1 切割速度

切割速度的選擇，取決于激光功率密度和被切割材料的熱物理性質。當功率密度和材料一定時，切割速度有一個合理的范圍，過快容易造成掛渣多，很難清盡，為后續工序造成困難，甚至會出現未切透；速度過慢會形成過燒，切口寬度大，影響尺寸，以及熱影響區大等問題［2］。表2 為實驗切割速度數值和相應的橫截面狀態描述。

表2 切割速度及表面質量的描述

下頁圖1、2、3 分別為三組實驗的切口表面圖。

圖1 切口表面（A）

圖2 切口表面（B）

圖3 切口表面（C）

圖4 1.6m／min切后兩板黏著在一起

1.2.2 氣體壓力

激光切割時需噴射同軸輔助氣體，主要作用是吹除切割熔體和熔渣，保持切割斷面整潔；加快切割過程，加深切割深度，減小切縫寬度和熱影響區寬度；保護激光器透鏡不受加工飛濺物損傷并冷卻透鏡。使用不同的冷卻氣體，對切割質量會產生不同的影響，因此輔助氣體的選擇是獲得高質量切割效果的關鍵參數之一。在碳鋼反應切割中，采用氧氣作為輔助氣體，有三個基本功能：提供氧化放熱反應所需氧氣；提供機械能以去除熔融物質；強制對流冷卻切割區。氧化反應供給的熱量約為激光切割所需總能量的2／3 以上，可降低對激光器輸出功率的要求。當激光功率和切割速度一定時，氧壓大，則反應劇烈，速度快，熱影響區大，切縫質量低；反之則切縫質量高。但氧壓過低可能出現切不透或切縫下粘附熔渣過多。

圖5為氧氣壓強過時的切口表面圖，可見左側下方有明顯凹陷，整體平行度不好，兩側有向上翹曲的趨勢。

圖5 氧氣壓強過大時切口表面

氧氣壓強為0.05MPa時，鋼板背部基本無熔渣被吹出，幾乎都粘附在鋼板反面，出現了未切透部分，圖6為切割后鋼板反面圖。

當氧氣壓強為0.15 MPa時，會出現過燒現象，切縫寬度加大，尺寸比實際要求值略小0.2～0.5mm，主要是因為氧氣供給量加大，切縫區域氧化反應劇烈，導致過燒。在圖7中可以看出，熔渣較圖6明顯減少，但由于氣體壓力較大形成渦流，反而未見熔渣完全吹去［3］。

圖7 氧氣壓力過大時切割鋼板反面

1.2.3 激光功率

激光功率是影響切割質量的重要因素之一。對于特定的工件，一定的功率對應一定的切割速度。激光功率越大，切割的厚度越大。但隨著激光功率的增加，切縫寬度和熱影響區均增大。在其他條件一定下，功率過小，會導致未切透；功率過大又會形成過燒。激光的功率往往和切割速度相對應，在實際操作中，往往會在合適的激光功率范圍值內，選取最大的功率，這樣可以相應的增加切割速度，提高生產效率。但并不是激光功率越大越好，在實際應用中，隨著激光功率的增加，模式會隨著改變而改變，在焦點處未必獲得最高的功率密度，也就是說切割質量未必最佳［4］。有學者進行了研究，在其他條件一定的情況下，激光的功率和掛渣情況近似呈二次曲線關系，見下頁圖8，針對以上理論進行了驗證，當功率在正常值以上時，熔渣粘附在板面，掛渣增多，見下頁圖9。

2 結論及意義

研究了切割速度、氣體壓力、激光功率三種因素對6mm 厚Q235鋼板試樣表面切割質量的影響，可得下列結論。

圖8 激光功率與掛渣關系

圖9 大功率下板面掛渣情況

1）切割速度過大或過小均得不到理想的切口表面，只有速度在一定范圍內才會得到較好的切割質量。

2）氧氣壓力過大會產生過燒，平行度差以及比要求尺寸略小等缺陷，氧氣壓力過小又會形成切不透缺陷。

3）在一定范圍內激光功率越大越好，但過大對切割質量會有一定影響。

4）得出了6mm 厚Q235鋼板的切割合理參數，即速度1.35～1.45 m／min，氣體壓力0.09～0.11MPa，功率1 350～1 500 W，圖10為在此參數下的切口表面，可以看到，紋理細窄均勻，無掛渣，平行度良好，基本無需切后處理就可進入下道工序。

圖10 最終合理參數下的切口表面

通過上述幾組實驗，了解了三種主要因素對激光切割表面的影響情況，得到了合理的工藝參數范圍，解決了公司特定機型下切割較厚板材的問題。同時對以后未知材料的切割提供了科學的研究方法和思路。

［1］張應力，羅建祥，張梅，等.金屬切割實用技術［M］.北京：化學工業出版社，2005.

［2］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，2006，26（3）：151－153.

［3］李良福.4130鋼的CO2激光切割質量［J］.國外金屬熱處理，2005，26（6）：41－47.

［4］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.