激光切割裝備在航空零部件制造中的應(yīng)用

賴仁享 程國祥 謝居懿 張有富

1. 概述

大族激光的G3015—DC025數(shù)控激光切割機(jī)設(shè)備適用于10、45、1Cr13、1Cr17Ni2等結(jié)構(gòu)鋼，以及不銹鋼板料的下料，可加工厚度依據(jù)材料硬度不同而變化，一般≤8mm。但該設(shè)備引進(jìn)后未能提供各種板料的激光切割參數(shù)，導(dǎo)致激光切割后零件的激光切割痕跡、掛渣嚴(yán)重及缺口，在采用激光切割機(jī)切割高強(qiáng)度合金鋼厚板時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)切割處熔渣大、邊緣質(zhì)量差等質(zhì)量問題，需要對(duì)激光切割機(jī)的起刀方式及激光切割參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化來提高高強(qiáng)度合金鋼厚板邊緣切割質(zhì)量。

2. 切割過程與結(jié)果

（1）選取典型材料 根據(jù)車間零件現(xiàn)狀，選取具有代表性的材料進(jìn)行切割試驗(yàn)。材料為30CrMnSiA，5mm。采用以下方式進(jìn)行激切切割優(yōu)化試驗(yàn)，以得到最優(yōu)參數(shù)及起刀方式。

（2）切割、穿孔參數(shù)優(yōu)化 首先，切割參數(shù)分析。在保證切割質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡可能的提高切割速度。這不僅提高生產(chǎn)率，而且能減少被割零件的變形量和割縫區(qū)的熱影響區(qū)域。若切割速度不合適，其效果相反，而且會(huì)使沾渣增加，切割質(zhì)量下降。

噴嘴高度是指噴嘴端面至被切零件表面的距離，該距離一般為0.5~10mm。該距離要合適才能充分發(fā)揮切割效率，否則會(huì)使切割效率和切割質(zhì)量下降或使噴嘴燒壞。

增加氣體壓力能使能量更加集中、噴射力更強(qiáng)，因而可提高切割速度和質(zhì)量。但氣體壓力過大，反而會(huì)使弧柱變短，損失熱量增加，使切割能力減弱，直至使切割過程不能正常進(jìn)行。

其次，切割、穿孔優(yōu)化對(duì)比。我們根據(jù)試驗(yàn)材料的特性采用表1參數(shù)切出零件邊緣，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)在該零件切割處有較多熔渣，屬于不合格品。

圖1 試驗(yàn)前邊緣狀態(tài)

表1 試驗(yàn)前邊緣狀態(tài)激光切割參數(shù)

根據(jù)首次切割得到的邊緣狀態(tài)，對(duì)激光切割參數(shù)（見表2）進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整切割速度、切割噴嘴高度、切割氣體壓力后并試切，切割零件邊緣外觀如圖2所示，該參數(shù)切出的零件邊緣質(zhì)量?jī)?yōu)良、美觀，達(dá)到了改進(jìn)要求。

表2 試驗(yàn)后邊緣狀態(tài)激光切割參數(shù)

（3）起刀方式優(yōu)化 我們選用經(jīng)過優(yōu)化后的切割參數(shù)并同時(shí)分別采用以下4種不同起刀方式進(jìn)行切割，來驗(yàn)證起刀處最佳起刀方式。

第一，引線加封口：該方式為引線引入，起始點(diǎn)與終點(diǎn)不重和。該方式得出結(jié)果如圖3所示，此方法得出的零件能做到外形與要求相符，但在起始切割點(diǎn)處有缺口，如圖4所示。

第二，過燒引入：該方式不加引線，通過激光的高功率直接在起始切割點(diǎn)上進(jìn)行切割。該方式得出結(jié)果如圖5所示，此方法得出的零件能做到外形與要求相符，但在起始點(diǎn)處會(huì)由于高功率導(dǎo)致切口過大，如圖6所示。

第三，加引線（直線、1/4圓、半圓）：該方式以不同的方式加引線引入，起始點(diǎn)與終點(diǎn)重和。該方式得出結(jié)果如圖7所示，此方法得出的零件能做到外形與要求相符，但在起始點(diǎn)處有缺口，如圖8所示。

第四，零件外圓加入零件引入線：該方式是在零件外圓加一條引入線作為零件部分進(jìn)行切割。該方式得出結(jié)果如圖9所示，此方法得出的零件能做到外形與要求相符，且起始點(diǎn)與終點(diǎn)處符合要求，如圖10所示。

圖2 試驗(yàn)后邊緣狀態(tài)

圖3 引線

圖4 缺口（引線加封口）

圖5 過燒引入

圖6 缺口（過燒引入）

圖7 加引線

圖8 缺口（加引線）

圖9 零件外圓加入零件引入線

圖10 無缺口

根據(jù)上述4種試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，不同的起割方式得出的零件外形與要求都能相符，但在起割處會(huì)有不同的缺陷。用引線加封口、過燒引入、加引線這三種方式起割，在起割處有形狀不一的缺口；而在零件外圓加入零件引入線這種起割方式，零件外形與起割處都能得到非常優(yōu)良的外形邊緣質(zhì)量。

（4）各種材料通用激光切割參數(shù)研究 針對(duì)10、45、1Cr13、1Cr17Ni2等結(jié)構(gòu)鋼，以及不銹鋼常用板料的激光切割，我們通過氣體、氣體壓力、切割功率、切割速度、焦點(diǎn)高度等基本參數(shù)的調(diào)節(jié)，最終確定，激光切割參數(shù)如表3所示。

如激光切割其他規(guī)格材料時(shí)，可按以下原則設(shè)定參數(shù)：

第一，激光切割結(jié)構(gòu)鋼（30CrMnSiA除外）板料時(shí)，采用O2切割，其氣體壓力基本上要求不大，只需有O2即可切割板料；切割功率與板料的厚度成正比，切割速度與板料的厚度成反比，焦點(diǎn)高度與板料的厚度成正比。

第二，激光切割不銹鋼板料時(shí)，采用N2切割，氣體壓力與板料的厚度成正比，切割功率與板料的厚度成正比，切割速度與板料的厚度成反比，焦點(diǎn)高度與板料的厚度成反比。

第三，激光切割30CrMnSiA板料時(shí)，厚度＜3.0mm激切參數(shù)與不銹鋼激切參數(shù)一致，厚度≥3.0mm激切參數(shù)與結(jié)構(gòu)鋼激切參數(shù)一致。

3. 結(jié)語

通過激光切割參數(shù)優(yōu)化、起刀方式優(yōu)化試驗(yàn)，我們較好的解決了結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼板料激光切割后產(chǎn)生的激光切割痕跡、掛渣嚴(yán)重及缺口等問題，使零件表面質(zhì)量得到較大的提升。

表3 結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼激光切割參數(shù)