鈑金件激光切割質(zhì)量控制方法分析

莊海洋

（漳州慶峰機械設備有限公司，福建 漳州 363000）

激光切割是最常用的鈑金件切割方式，這種方式的采用，大大提升了零件切割的效率，但與此同時，如何確保切割質(zhì)量，也成為了相關(guān)領(lǐng)域重點關(guān)注的問題。因此，對鈑金件激光切割質(zhì)量控制方法進行分析，具有重要的意義。

1 光纖切割機激光器的特點和優(yōu)勢

金屬激光切割機是利用數(shù)控軟件通過電腦控制機械系統(tǒng)實現(xiàn)自動化切割。根據(jù)激光發(fā)生器的不同，目前市面上激光切割機大致可分為三種：光纖激光切割機，CO2激光切割機，固體（YAG）激光切割機。光纖切割機通過光纖傳輸，柔性化程度空前提高，故障點少，維護方便，速度奇快，切割速度最大速度可達45m/min。光纖激光器的輸出波長為1.064微米，輸出的光束質(zhì)量好，功率密度高，有利于金屬材料的吸收，具有卓越的切割性能，加工的費用最低。光纖激光的光電轉(zhuǎn)化率高達25%以上，在電費消耗、配套冷卻系統(tǒng)等方面光纖的優(yōu)勢顯著。

2 鈑金件激光切割質(zhì)量評價標準

激光切割質(zhì)量控制的要素主要有兩方面：一是切割尺寸精度高低；二是切割斷面質(zhì)量好壞。觀察和觸碰是檢查鈑金件切割斷面質(zhì)量的主要方式，鈑金件切割斷面的質(zhì)量標準為以下兩點：一是鈑金件整體切割均勻流暢，且表面無燒灼和缺陷，切口斷面或下表面無掛渣，無毛刺等為衡量指標；二是鈑金件切割斷面較為整齊，由于切割的方式分為氧氣切割和氮氣切割，氧氣切割的斷面會呈現(xiàn)暗色；而氮氣切割的斷面則不會發(fā)生氧化反應，鈑金件斷面會比較明亮。圖1 6.0mm 熱軋板不規(guī)則切割斷面，圖2 3.0mm冷軋板毛刺嚴重。

目前常用的切割件精度檢測方法有以下幾種：一是快速樣板檢測；二是量具檢測；三是三坐標檢測；四是檢具檢測。

3 影響鈑金件激光切割質(zhì)量的因素和控制方法

圖1 6.0mm 熱軋板

圖2 3.0mm 冷軋板

鈑金件激光切割步驟較為煩瑣，工序流程較多，致使在切割過程中很難確保鈑金件的質(zhì)量，為提升切割質(zhì)量，需要對激光切割的各項環(huán)節(jié)進行有效的把控。

3.1 影響激光切割質(zhì)量的因素

（1）切割機原始切割參數(shù)，不能滿足產(chǎn)品切割要求 ，切割時出現(xiàn)切割不透、斷面紋路粗糙及斷面表面氧化嚴重等現(xiàn)象。（2）編程排版不合理，切割中出現(xiàn)長料翹起，影響切割精度。（3）切割氣體的壓力不穩(wěn)定及氣體不純，影響切割質(zhì)量。（4）氣體純度不穩(wěn)定，切割參數(shù)之間的相互影響，難以把握切割過程中參數(shù)調(diào)整的準確性。

3.2 控制方法

（1）設計零件工藝方案。高質(zhì)量激光切割的前提就是設計零件工藝方案，在設計工藝方式時，需要注意以下方面的事項：一是盡可能降低板料的變形程度；二是合理布置激光切割的定點位，確保板材平面的穩(wěn)定性。三是明確工藝路線，工作需要所選擇的切割路線應具有較強的可行性，避免切割路徑碰撞問題的發(fā)生；四是在切割零件工藝之前，需要對板材支撐架制作的便捷性進行考慮。

（2）切割板材支撐架。在切割過程中常用的板材支撐架是格欄柵（如圖3）。

圖3 格欄柵

格欄柵對于剛性較高的零件切割效果較好，格欄柵的優(yōu)勢為制作難度低、效率高、使用便捷，且造價低。其缺點為格欄柵容易對切割件造成二次傷害，特別是對鍍鋅板切割時，表面質(zhì)量很難控制。對于0.6mm 厚度以下的板材容易變形，影響質(zhì)量和速度。所以企業(yè)要根據(jù)格欄柵損耗程度及時更換，以保證產(chǎn)品切割精度和表面質(zhì)量。

（3）設計切割程序和加工流程。工作人員可以使用編程軟件完成切割程序的設計。在設計程序時，工作人員應注意以下幾方面要點：

必須要遵循從小至大、由內(nèi)到外的切割原則，簡言之，就是先切割小孔，然后再切割大孔，最后才能切割外部輪廓，這樣做有利于切割過程中由于零件應力釋放導致的零件變形最小，切割精度會得到提升。

應確保切割程序銜接過度的穩(wěn)定性和順暢性，避免在切割過程中，出現(xiàn)切割頭擺動幅度過大的問題，如果問題無法避免，應通過減緩切割速度的方式，盡量保證切割的質(zhì)量。

激光切割頭的每點位置應該盡可能沿著該點的法向，這樣才能保證切割斷面垂直整齊。

切割工藝流程：吊運上料→檢查→選調(diào)程序→設備調(diào)整→首件切割→首件檢查→調(diào)整參數(shù)→確定最佳參數(shù)→配件檢查合格→切割下料。

（4）選擇切割工藝的參數(shù)。在鈑金件切割過程中，應做好工藝參數(shù)的選擇，具體表現(xiàn)在以下四個方面：

一是選擇切割的功率及切割方式。鈑金件在實際切割過程中，常用的切割方式有熔化切割和氧化熔化切割。熔化切割的主要輔助氣體為氮氣，在使用這種切割方式時，激光會對切割件進行加熱，直到零件的溫度符合熔化切割的標準，熔化切割時，激光需要將材料加熱至熔點溫度，因此，激光器會長期處在高負荷的工作狀態(tài)，設備中的高壓氮氣會吹走已經(jīng)熔化的材料，從而在零件上形成切割斷面。這種切割方式在切割金屬零件時，可以取得良好的效果，例如，不銹鋼、鋁等。氧化熔化切割使用氧氣作為輔助氣體，材料表面在激光束照射下加熱到燃點溫度，與氧氣發(fā)生燃燒反應，放出大量熱量，材料進一步被加熱。以碳鋼為例，鐵在氧氣中燃燒：3Fe+2O2=Fe3O4現(xiàn)象：①劇烈燃燒，火星四射；②放出大量熱量；③生成一種黑色固體（四氧化三鐵Fe3O4）。在燃燒過程中會釋放熱量，后輔助氣體會將燃燒過程中生成的氧化物吹散，形成切縫。這種切割方式在碳鋼切割中效果顯著。氧氣流速越高，燃燒氧化反應和去除熔渣的速度也越快。切割過程有兩個熱源：激光束照射能和氧化反應所產(chǎn)生的熱能。氧化熔化切割氧化反應所產(chǎn)生的熱能占切割所需能量的60%。例如，在切割5 ～10mm 碳鋼板時，激光功率只需1500W 左右即可；與熔化切割相比，氧化熔化切割可以顯著降低所需的激光功率，這種切割方法效率較高，使用成本低。

二是選擇切割速度和輔助氣體的壓力。切割件的厚度決定著切割速度選擇，如果切割件的厚度較高，則要降低切割速度，反之亦然。以1500W 光纖激光機為例，切割1.2mm 厚度碳鋼時，速度可達20m/min；切割3.0mm 厚度碳鋼時，速度只有3m/min。如果激光切割的輔助氣體是氮氣，那么輔助氣體將不參與燃燒，其主要功能為吹掉溫度較低的液體態(tài)材料，此時應選擇高氣壓。如果輔助氣體為氧氣，由于氧氣在切割過程中會參與燃燒，故應選擇低氣壓。

三是選擇切割噴嘴。切割噴嘴的主要功能為加快輔助氣體的噴射速度；可以防止熔漬向上反彈，達到保護聚焦鏡的目的；向調(diào)高系統(tǒng)提供電容信號，從而保證調(diào)高系統(tǒng)穩(wěn)定工作。同時噴嘴還可以對氣體擴散面積進行控制，并且噴嘴尺寸大小于切縫的面積具有關(guān)聯(lián)性，會對切割質(zhì)量的造成影響，因此，企業(yè)應根據(jù)零件的厚度選擇合適的噴嘴尺寸。1500W光纖激光機為例，切割3mm 以下碳鋼板時，選擇Φ1.8mm 單層孔徑的噴嘴，切割6 ～10mm 碳鋼板時，選擇Φ4.0mm 孔徑的雙層噴嘴。不過由于噴嘴的孔徑越大，對于聚焦鏡的保護作用越小。因此，選擇合理的激光切割機噴嘴孔徑，才能更有效地進行生產(chǎn)。

四是選擇焦點位置。①0 焦距，切割焦點位于切割材料的表面，工件表面具有不同的光滑度，一般來說，靠近焦點的切割表面相對光滑，遠離切割焦點的下表面顯得粗糙。②焦點定位在工件里面稱為正焦距，這種焦點遠離切割表面，切割幅度相對比0 焦距大，這種切割下需要的切割氣流要大，溫度要足，切割穿孔時間稍長點。主要適用不銹鋼或者鋁材等硬度大的材質(zhì)。③負焦距，切割焦點位于切割材料上面，主要是在切割厚度高的金屬板時用到。負焦距切割厚板需要的切割幅度大，容易造成噴嘴輸送的氧氣不足而使得切割的溫度下降，切割的表面相對粗糙，不適合于高精度的精密切割。圖4 切割斷面質(zhì)量與參數(shù)關(guān)聯(lián)圖。

圖4 切割斷面質(zhì)量與參數(shù)關(guān)聯(lián)圖

（5）根據(jù)切割件生產(chǎn)批量選擇精度檢測方法。目前常用的切割件精度檢測方法有以下幾種：一是快速樣板檢測；二是量具檢測；三是三坐標檢測；四是檢具檢測。在批量生產(chǎn)中，首件檢驗及過程檢驗一定要保證，首件檢查→調(diào)整參數(shù)→確定最佳參數(shù)，其中第一種和第二種檢測方法比較適用于小批量的試制環(huán)節(jié)。而第三種和第四種檢測方法，則適用于大批量的檢測。企業(yè)應根據(jù)零件數(shù)量和特點，合理的選擇檢測方法。

4 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段光纖激光切割被廣泛應用于工業(yè)領(lǐng)域，并取得了顯著的效果，為進一步提高鈑金件切割的質(zhì)量，確保切割精度，相關(guān)企業(yè)應采用合理的質(zhì)量控制方法，并將其應用于鈑金件切割的全過程，以此保證切割質(zhì)量。