激光切割在鋼結構制造中的應用

李 燕，包慧慧

（浙江品臻建設有限公司，浙江臺州 318020）

0 引言

激光切割是當前制造業當中技術最先進的切割方法，主要通過高效率和高精度的特點，在制造行業當中已經得到了大量的應用，解決了制造業生產過程中許多傳統設備無法解決的難題，在工業生產與企業發展過程中發揮了不取代的作用。在加工行業當中來選擇激光切割技術，高精度、高智能化的激發切割技術發展，可以有效縮短工件的制造時間，有效的提高了在工業制造上的質量，給企業帶來良好的經濟效益，促使企業擁有更好的發展前景。

1 激光切割概念

激光切割的技術主要是通過，激光光束來照射到鋼板的表面，通過散發的能量來使得不銹鋼融化達到切割的目的。以其速度快和質量高的切割特點，并且在激光切割完成之后的表面通常呈現切口狹窄，且表面比較光潔的狀態，已經被廣泛應用到切割工藝當中。激光切割作為一種精密的切割方法，幾乎可以對所有材料來進行切割，包括一些鋼結構的二維或三維切割等。其切割路徑的優化主要涉及零件的切割順序以及打孔選擇等一些局部處理方式。激光切割在鋼結構當中的應用，主要是對一些機車或者機體輔助裝置的部件來進行切割，在切割的過程當中，能夠實現機器的控制自動化，同時也能夠降低成本，為產品帶來更高的效益。除此之外，通過在鋼結構切割中進行合理的切割路徑選擇，可以對刀具的空行程進行有效控制，打孔點更加合理，有效避免了空洞造成的翹起碰撞問題，已經取代原先的沖壓加工和機器加工的方法，有效提高了切割效率，在公司當中使用一套完善的數控切割方法，可以給公司當中研發新構件帶來穩定的保障。

2 激光切割質量的影響因素及評價指標

激光切割是一個熱物理過程，復雜激光與材料相互作用的過程中涉及許多因素，其中，激光參數以及切割速度、被加材料特性是最主要的三個方面。在實際操作過程中，隨著激光設備的選擇而產生的光束物性也將對切割質量產生影響。通過對國內外與激光切割的相關文獻進行閱讀與總結后可以得出，切縫寬度以及切割面的傾斜角等評價激光切面質量的主要指標，如圖1所示。如切縫寬度，受到光束模式與聚焦后的光斑直徑直接影響，在進行碳鋼薄板切割時，光斑直徑與切縫寬度基本上處于相等的情況，如切割面的傾斜角，如圖1 所示，是由于在切割過程中出現的上下縫之間縫寬不同造成的傾斜度，也是對激光切割質量進行評價的重要指標之一。

圖1 激光切割質量評價指標

3 激光切割在鋼構造當中的實際應用

在激光切割鋼構件當中，主要是通過高功率的聚焦激光束給鋼構件進行照射，在相當短的時間當中，就可以將鋼構件加熱到上萬的攝氏度，使得在照射處的鋼構件能夠快速的進行熔化，并蒸發到空氣當中，然后再借用高速氣流的設備，將切縫中的熔化物質進行吹除，對鋼構件進行切割的目的，在進行激光對鋼構件進行切割時，要選擇好激光切割的工藝參數，并結合具體鋼構件的零件來進行設定，以使得激光能夠更精確地對鋼構進行切割。

3.1 激光功率的選擇

在激光切割的過程當中，激光功率對鋼構件的質量會產生比較大的影響，激光功率較小，切割的鋼材厚度也較小，反之，激光功率越大，所切的鋼材厚度也可以越厚。在切割相同板厚的鋼材時，由于鋼材的實際構成材料不同，所采取的激光功率也不同，并且由于激光功率的變大，在鋼構件當中的縫隙也會變大，主要根據以下方面來進行參考，在切割3mm 的鋼板時，可以采取2800W 的激光功率；在切割3mm 的不銹鋼板時，用3000W 的激光功率；在切割3mm 的鋁板時，采取1500W 的激光功率；針對非常厚的鋼材，例如40mm 的碳鋼或者不銹鋼時，可以采用12000W 的激光功率。并且在激光切割當中的激光功率的增加，也會使得切割速度變快，若鋼構件十分厚，就要采用較低的氧氣壓力和大直徑的激光噴嘴，以避免燒壞鋼構件當中的切口邊緣。

3.2 切割速度的設定

光切構的過程當中，切割速度的快慢也是影響構件質量的重要原因之一，在激光功率相同時，不一樣的切割速度，對于工件的質量和在剛構件后面的熔化物質也不一樣。在切割速度較慢時，構件的照射激光時間也較長，氧氣提供也比較足，進而使得鋼件發生嚴重的氧化反應，并且由于切割溫度較高，時間較長，在構建當中的縫隙也較大，熔物也較多；切割速度越快，工件的質量也越好，切縫也比較整齊，并且熔物也較少。但是激光切割速度過快，在鋼構件切割當中，來不及氧化就已經冷卻，容易在鋼構件當中形成掛渣。在進行切割時，切割功率主要影響鋼構件的切縫寬度，切割速度起次要作用，所以在具體進行切割鋼構件時，要選擇適宜的切割速度，具體如下，在切割3mm 的鋼板時，要采用3.2m/min 的切割速度；在切割3mm 的不銹鋼板時，采用3m/min 的切割速度；在切割10mm 的鋼板時，要采用1.2m/min 的速度來進行切割；在切割40mm 的碳鋼時，可以采用0.65m/min的速度來進行切割。選用合適的激光功率和速度，可以將鋼件的質量得到最大的保證。

3.3 輔助氣體的種類和壓力的設定

在設定好相應的激光功率和激光速度之后，要選擇合適的輔助性氣體來，來吹走在切割過程當中的熔物，來保證鋼構件切割面的整潔干凈，同時也能夠使得切割效率變高和切割深度變深。同時也保護到切割的機器，因為在切割的過程當中很容易受到熔物飛濺帶來的損壞。切割過程當中采用不一樣的輔助氣體，對于鋼構件的形成質量也會有一定的影響，因此，對于輔助性氣體的選擇也非常重要，具體的選擇方式如下，氧氣一般比較適合在切割碳鋼材時進行使用，氮氣一般在切割不銹鋼鋼材時比較適合。在采用氧氣作為輔助性氣體時，在激光切割當中的功率和速度一定時，氧氣的壓力越大，氧化反應在鋼材當中的現象也會越強烈，形成的鋼構件質量也越低；氧氣的壓力越低，則可能會出現鋼板切不透的現象，但是在已切割的鋼構件當中質量較好。一方面，在具體切割鋼材的過程當中要考慮到實際的成本，只要在切割過程當中的鋼構件表面不影響產品的正常使用，那么就可以使用氧氣來作為輔助性的氣體。另一方面，在用氧氣作為輔助性氣體，切割一些不銹鋼的鋼材時，由于不銹鋼鋼材當中合金元素含量較大，在切割時熔物的黏度也比較大，若選擇氧氣切割的方法，容易在不銹鋼的表面形成粘渣的情況，從而引起產品上的質量問題。所以，在切割不銹鋼鋼件時，可以采用氮氣的方式，對不銹鋼的表面進行無氧化的保護作用，可以切割出質量較好的不銹鋼鋼材，也滿足了對于不銹鋼鋼材斷面整潔干凈的要求。用氮氣作為切割的輔助性氣體一般比較適合質量要求較高的不銹鋼零件。

3.4 切割過程總體設定

在選擇完切割的功率速度和輔助性氣體時，要對切割工藝進行全面的調整，首先在焦點位置的調整上，焦點位置可以直接影響到切割點的具體形成面積，在一定的功率速度下，焦點面積越大，在鋼材集中點面積上的功率也就越小，從而發生鋼材切割不透的現象，另外，如果焦點沒有對準好位置，則很容易使得切割出的鋼材達不到理想的效果，所以在激光的焦點一般在鋼材的表面往下1/3 處左右。其次是要調整合適的噴嘴高度，噴嘴的高度越大，就會使得噴出的輔助性氣體不穩定，進而影響到切割的效率與質量，因此，在選擇噴嘴高度時，一般選擇較小的噴嘴高度。最后，要注意鋼材的表面情況，如果鋼材表面不是很平整有斷點的情況，那么就很容易會影響到切割完成之后的質量，所以在鋼材進行切割之前，要對鋼材表面進行打磨，打磨之后再使用激光來進行切割。

4 結語

綜上所述，激光切割在鋼構件的切割當中已經被廣泛的應用，在激光切割的過程中，只有將激光的功率、速度、輔助性氣體以及其他工藝參數調整好，才能發揮出激光切割的總體優勢，獲得穩定質量的鋼材。所以，這就需要工作人員在進行切割時，要嚴格把控好激光切割的參數，以此來保證切割產品的質量。