關(guān)于對(duì)激光切割工藝的研究與探討

孫鵬

【摘 要】金屬切割是現(xiàn)在生產(chǎn)加工過(guò)程中常見(jiàn)的工藝，并且現(xiàn)在已經(jīng)取得了較快的發(fā)展，也有多種切割加工方法，比如激光切割、水切割、天然氣切割等。在這些切割工藝中激光切割可以利用高能量密度的激光束加熱工件，使工件在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到沸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)金屬切割，并且切割過(guò)程中具有切縫較窄、工件產(chǎn)生的物理變形較小、對(duì)切割工具無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn)，因此在金屬加工過(guò)程中較為受歡迎。近幾年，隨著激光技術(shù)的不斷進(jìn)步，其在金屬切割中的應(yīng)用也在不斷增加，也進(jìn)一步提供了金屬加工的效率和質(zhì)量。本文針對(duì)德國(guó)通快和瑞士百超的激光機(jī)進(jìn)行了介紹，同時(shí)針對(duì)在加工過(guò)程中的工藝問(wèn)題和處理方法進(jìn)行了介紹，希望能夠進(jìn)一步提升金屬切割的工藝效果。

【關(guān)鍵詞】激光機(jī);金屬切割;工藝問(wèn)題

引言

金屬切割過(guò)程中往往會(huì)因?yàn)榍懈钤O(shè)備與金屬之間的劇烈接觸，使工件產(chǎn)生較大的變形和切割縫隙，這樣會(huì)給工件的加工和使用帶來(lái)諸多的不便。而隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，激光切割、等離子切割、水切割等技術(shù)得到了快速的發(fā)展，現(xiàn)在這些新型的切割工藝已經(jīng)應(yīng)用在了實(shí)際的生產(chǎn)之中，并且產(chǎn)生了較好的效果。新的切割形式是通過(guò)將較高的能量聚集在較窄的空間中釋放出來(lái)，以達(dá)到可以對(duì)金屬進(jìn)行加工的目的。而激光切割憑借著其經(jīng)濟(jì)型和可靠性的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在在金屬的生產(chǎn)加工過(guò)程中得到了極為廣泛的應(yīng)用。目前德國(guó)通快和瑞士百超的金屬切割激光機(jī)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)厚度為0.3～25mm的碳鋼的切割和16mm以下的有色金屬板材的切割，基本能夠滿足金屬加工過(guò)程中的需求。當(dāng)然，現(xiàn)在的金屬激光切割工藝仍然不夠完善，還需要我們?cè)诓粩嗟纳a(chǎn)和使用過(guò)程中進(jìn)一步改進(jìn)。

一、激光切割的介紹

激光切割是一種高能量密度、可控性好的無(wú)接觸式加工工藝，在進(jìn)行切割的過(guò)程中，激光機(jī)能夠?qū)⒏吣芰Φ募す夤馐奂谛∮?.1m2的區(qū)域，并且在該區(qū)域內(nèi)，光束的功率密度可以超過(guò)107W～108W/cm2。獲得高能量照射的金屬會(huì)在瞬間提升溫度，直至出現(xiàn)氣化的現(xiàn)象。并且當(dāng)激光機(jī)光束的照射隨運(yùn)動(dòng)軌跡不斷移動(dòng)時(shí)，金屬就會(huì)被切割開(kāi)。當(dāng)然，在進(jìn)行切割的過(guò)程中還會(huì)有其他的物質(zhì)參與，比如輔助性氣體可以加快材料的升溫過(guò)程，同時(shí)還能夠避免融化的金屬雜質(zhì)附著在金屬表面，一般在進(jìn)行金屬切割時(shí)往往使用氧氣作為輔助性氣體。德國(guó)通快和瑞士百超的激光切割機(jī)現(xiàn)在較為先進(jìn)，以通快的激光切割機(jī)為例，其可在無(wú)模具的條件下，切割出不同形狀大小及各種精度要求的產(chǎn)品，切割精度可達(dá)±0.02，特別適合于為客戶提供小批量多品種的業(yè)務(wù)需求，此設(shè)備具備精度高、速度快、適用范圍廣，外觀精美等特點(diǎn)。

二、激光切割的參數(shù)及影響

1、離焦量

離焦量指激光光點(diǎn)與被切割工件之間的距離，焦點(diǎn)位置往往會(huì)對(duì)切割的寬度、坡度以及斷面的粗糙程度產(chǎn)生一定的影響。焦點(diǎn)位置的選取對(duì)不銹鋼板切割質(zhì)量有重要影響。當(dāng)焦點(diǎn)位置滯后時(shí)，切割材料下端單位面積所吸收的能量減少，切割能量削弱，導(dǎo)致材料不能完全熔化被輔助氣體吹走，以致未完全熔化的材料附著在切割板材下表面，呈前端尖銳且短小的沾渣。

2、輔助氣體氣壓

在進(jìn)行金屬材料切割時(shí)，往往會(huì)選擇氧氣作為輔助氣體，一方面能夠增加表面溫度的提升速度，另一方面能夠除去切割過(guò)程中產(chǎn)生的金屬殘?jiān)Ｍ瑫r(shí)當(dāng)切割口處的溫度過(guò)高時(shí)，還能夠?qū)η懈顧C(jī)透鏡產(chǎn)生一定的保護(hù)作用，防止高溫對(duì)透鏡的損壞。當(dāng)然輔助氣壓也會(huì)對(duì)切割質(zhì)量產(chǎn)生影響，當(dāng)輔助氣壓過(guò)高時(shí)，工件表面會(huì)形成渦流，這樣利用氣壓去除表面雜質(zhì)的作用就會(huì)被削弱，使工件表面附著一層金屬殘?jiān)７粗绻麣鈮哼^(guò)低，則無(wú)法達(dá)到輔助升溫的效果，更無(wú)法起到去除殘?jiān)淖饔谩?/p>

3、切割速度

切割速度對(duì)不銹鋼板切割質(zhì)量有很大影響，理想的切割速度使切割面呈現(xiàn)較平穩(wěn)線條，且下部無(wú)熔渣產(chǎn)生。若切割速度過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致鋼板無(wú)法切透，并引起火花飛濺。下半部產(chǎn)生熔渣;若切割速度過(guò)慢，則容易造成材料過(guò)熔，切縫變寬，熱影響區(qū)增大，甚至引起過(guò)燒。工件所允許的最大切割速度可以根據(jù)能量守恒和熱傳導(dǎo)進(jìn)行估算。

4、切割功率

切割功率也是影響切割質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，激光切割所需要的激光功率主要取決于切割板料厚度以及被切材料的性質(zhì)。氣化切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧氣切割最小。激光功率對(duì)切割厚度、切割速度、切口寬度等有很大影響。一般激光功率增大所能切割材料的厚度也增加，切割速度加快，切口寬度也有所加大。

三、激光切割中常見(jiàn)的工藝問(wèn)題及處理方法

1.切割加工小孔（直徑小與板厚）變形情況的分析

這是因?yàn)闄C(jī)床（只針對(duì)大功率激光切割機(jī)）在加工小孔時(shí)不是采取爆破穿孔的方式，而是用脈沖穿孔（軟穿刺）的方式，這使得激光能量在一個(gè)很小的區(qū)域過(guò)于集中，將非加工區(qū)域也燒焦，造成孔的變形，影響加工質(zhì)量。這時(shí)我們應(yīng)在加工程序中將脈沖穿孔（軟穿刺）方式改為爆破穿孔（普通穿刺）方式，加以解決。而對(duì)于較小功率的激光切割機(jī)則恰好相反，在小孔加工時(shí)應(yīng)采取脈沖穿孔的方式才能取得較好的表面光潔度。

2.激光切割低碳鋼時(shí)，工件出現(xiàn)毛刺的解決方法

根據(jù)CO2激光切割的工作和設(shè)計(jì)原理，分析得出以下幾點(diǎn)原因是造成加工件產(chǎn)生毛刺的主要原因：激光焦點(diǎn)的上下位置不正確，需要做焦點(diǎn)位置測(cè)試，根據(jù)焦點(diǎn)的偏移量進(jìn)行調(diào)整;激光的輸出功率不夠，需要檢查激光發(fā)生器的工作是否正常，如果正常，則觀察激光控制按鈕的輸出數(shù)值是否正確，加以調(diào)整;切割的線速度太慢，需要在操作控制時(shí)加大線速度;切割氣體的純度不夠，需要提供高質(zhì)量的切割工作氣體;激光焦點(diǎn)偏移，需要做焦點(diǎn)位置測(cè)試，根據(jù)焦點(diǎn)的偏移量進(jìn)行調(diào)整;機(jī)床運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)出現(xiàn)的不穩(wěn)定性，此時(shí)需要關(guān)機(jī)重新啟動(dòng)。

3.激光切割加工不銹鋼和鋁鋅板時(shí)，工件有毛刺產(chǎn)生的分析

以上情況的出現(xiàn)，首先考慮切割低碳鋼時(shí)出現(xiàn)毛刺的因素，但不可簡(jiǎn)單地加快切割速度，因?yàn)樵黾铀俣扔袝r(shí)會(huì)出現(xiàn)板材切割不穿的情況，此種情況在加工敷鋁鋅板時(shí)尤為突出。這時(shí)應(yīng)綜合考慮機(jī)床的其他因素加以解決，如噴嘴是否要更換，導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定等。

4.激光未完全切割透狀態(tài)的分析

分析后可以發(fā)現(xiàn)下面的幾種情況是產(chǎn)生加工不穩(wěn)定的主要情況：激光頭噴嘴的選擇與加工板厚不匹配;激光切割線速度過(guò)快，需要操作控制減小線速度;噴嘴感應(yīng)不準(zhǔn)導(dǎo)至激光焦點(diǎn)位置誤差過(guò)大，需重新檢測(cè)噴嘴感應(yīng)數(shù)據(jù)，特別是在切割鋁材時(shí)最容易出現(xiàn)。

5.切割低碳鋼時(shí)出現(xiàn)非正常火花的解決方法

這種情況會(huì)影響零件的切割斷面光潔度加工質(zhì)量。此時(shí)在其他參數(shù)都正常的情況下，應(yīng)考慮以下情況：激光頭噴嘴的損耗，應(yīng)及時(shí)更換噴嘴。在無(wú)新噴嘴更換的情況下，應(yīng)加大切割工作氣體壓力;噴嘴與激光頭連接處螺紋松動(dòng)。此時(shí)應(yīng)立即暫停切割，檢查激光頭連接狀態(tài)，重新擰緊噴嘴。

結(jié)束語(yǔ)

金屬切割是金屬加工工業(yè)的必要環(huán)節(jié)，但是在進(jìn)行切割的過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生較大的金屬形變，給后續(xù)的加工和處理帶來(lái)較多的麻煩。為了能夠進(jìn)一步改進(jìn)金屬的加工工藝，激光切割在這個(gè)行業(yè)中受到了廣泛的重視。通過(guò)大量的切割工藝實(shí)驗(yàn)，對(duì)激光切割的了解將會(huì)更加深入，并且在相關(guān)參數(shù)的改進(jìn)和提升方面也會(huì)得到進(jìn)一步的提升，對(duì)激光切割的準(zhǔn)確度和效率將會(huì)有質(zhì)的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]王德倉(cāng)，辛立軍.激光高速切割工藝對(duì)薄板切割質(zhì)量的影響[J].熱加工工藝，2018，47（3）：249-251.

[2]孫加強(qiáng)，焦俊科，張文武，等.基于ABB機(jī)器人的光纖激光切割與焊接系統(tǒng)研究[J].應(yīng)用激光，2014，34（6）：584-588.

（作者單位：中車(chē)大同電力機(jī)車(chē)有限責(zé)任公司）