淺析激光切割技術的應用

暢雪蘋 王丹丹 王謙

摘 要：隨著現代工業發展，很多傳統機械加工方式被激光切割所取代。通過激光切割中氧助熔化切割碳鋼的工藝流程，文章分析了氧助熔化切割碳鋼時影響其切割性能的因素，以及切割時相比較其他傳統加工方式的優越性?？梢钥闯觯す馇懈罹哂星懈钏俣瓤欤杀镜停懈町a品質量良好，自動化程度高，切割材料種類多等優勢，在各工業領域應用廣泛。

關鍵詞：激光技術;氧助熔化切割;切割性能;效率;成本;質量;自動化

中圖分類號：TB492? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）17-127-03

Application of Laser Cutting Technology

Chang Xueping， Wang Dandan， Wang Qian

（ Shaanxi Wanfang Auto Parts Co.， Ltd.， Shaanxi Xi'an 710299 ）

Abstract： With the development of modern industry， many traditional machining methods have been replaced by laser cutting. Through the process flow of cutting carbon steel with oxygen-assisted melting in laser cutting， the factors affecting the cutting performance of cutting carbon steel with oxygen-assisted melting are analyzed， and the advantages of cutting are compared with other traditional processing methods. It can be seen that laser cutting has the advantages of fast cutting speed， low cost， good quality of cutting products， high degree of automation， a variety of cutting materials， and other advantages， widely used in various industrial fields.

Keywords： Laser technology; Oxygen-assisted fusion cutting; Cutting performance; Efficiency; Cost; Quality; Automation

CLC NO.： TB492? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-127-03

前言

激光切割技術現在被各個國家各個行業所應用，尤其工業發達國家，激光切割技術已成熟，中國相對而言起步較晚。本文主要針對激光切割原理和分類，以及切割碳鋼時的工藝流程加以簡單闡述，突出了激光切割優點，以及取代傳統機械加工的必要性。

1 激光切割原理

1.1 機理

激光切割是利用經聚焦的高功率密度激光束照射材料表面，使照射處的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點，同時借與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質，從而實現割開材料的一種熱切割方法。其切割過程示意圖如圖1所示，切割過程發生在切口的終端處一個垂直的表面，稱之為燒蝕前沿。激光和氣流在該處進入切口，激光能量一部分被燒蝕前沿吸收，另一部分通過切口或經過燒蝕前沿向切口空間反射。由于激光經過高度集中在很小的區域內，則能產生大量熱量迅速融化材料且熱量很難散發到材料的其他部分，形成變形很小的切口，從而激光切割實現了切割速度快質量高的加工技術，也是激光技術在現代工業中的主要應用和加工方法。

1.2 分類

光切割大致可分為汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制斷裂切割，其中氧助熔化切割應用最廣。氧助熔化切割是利用激光將工件加熱至其燃點，利用氧氣或其他助燃氣體使材料燃燒，由于熱基質的點燃，除激光能量外的另一熱源同時產生，同時作為切割熱源。

2 切割碳鋼材料工藝分析

2.1 切割性能

碳鋼可良好地進行氧助熔化激光切割，切縫窄，板厚最小可至0.1mm上下，其熱影響區，特別對低碳鋼幾乎可不予考慮。碳鋼切縫光滑、清潔和平整，垂直度好。低碳鋼內磷、硫偏析區的存在會引起切邊的溶蝕。所以，含雜質的優質鋼的切邊質量優于熱軋鋼。稍高的含碳量可略為改善碳鋼的切邊質量，但其熱影響區有所擴大。影響低碳鋼切割性能的因素包括板厚、激光功率、切割速度和工件與光束焦點的間距。當板厚在1.6-6.0mm范圍，光束焦點剛位于工件表面以及氧氣壓力恒定保持在140kPa的條件下，根據激光功率和切割速度變化，觀察低碳切割質量，圖2為激光切割低碳鋼板時切割參數間的關系。可見，隨著功率密度的提高，切割速度和可切割板厚度均可增加。如所切割的板厚增加，則應采用較大直徑的噴嘴和較低的氧氣壓力，以防止燒壞切口邊緣。

采用CO2激光切割低碳鋼板的最大切割厚度可用下面近似估算：激光功率在100-1500W范圍內，激光功率的瓦數除以100，即為最大切割厚度的毫米數。圖3為低碳鋼的上限切速和激光功率在板厚不大于6mm范圍內的對數函數關系。按此實驗值可推出經驗公式：

（1）

其中：

v-上限切割速度（m/min）

t -板厚（mm）

P-激光功率（kW）

利用上述公式可根據激光功率對6mm以內低碳鋼粗略地估計精細切割的切割速度。

2.2 切割流程

由于激光切割柔性程度高，與其他傳統加工方式相比較，靈活性和適應性好，可加工各種軌跡，上下料次數少，如圖4所示油泵支架切割，只需上料一次不需要轉序，激光切割可沿序號1、2、3、4、5等五個封閉軌跡依次通過工件相對切割噴嘴旋轉運動和直線運動完成切割，而傳統機加工作業需經過多次銑削工序和打孔工序，多次轉序、多次上下料才能完成。

2.3 切割特點

首先，激光切割成本低?？梢宰詣优艠印⑻琢希牧媳怀浞掷?，浪費減少，原材料利用率高。切割時工件無需工裝夾具裝夾，只需設備自帶卡盤固定即可，減少工裝夾具等費用的投入。激光切割屬于無接觸加工，無切削力無刀具磨損，不需要更換刀具，無模具損耗。其次，激光切割質量良好。由于切割速度高、激光光斑小、能量密度大，因此切割后工件的質量較好，切口細窄，切割零件的精度較高可達±0.05mm，無毛刺等。切割表面粗糙度只有幾十微米表面光滑整潔無需打磨可作為最后一道工序。激光切割后熱影響區寬度窄小，對切縫區材料性能影響較小，零部件切后變形小。最后，激光切割自動化程度高以及材料應用廣。激光切割機一般配有數控工作臺，整個切割過程可全部實現數控，操作時只需將三維數模轉化成程序，程序輸入設備后便可實現切割，變化是只需變更數控工作臺中的程序，因此勞動強度低、操作容易。激光切割材料范圍較廣，除了金屬材料以外，還可加工皮革、木材、纖維及一些復合材料，適應性和靈活性較高，各個領域應用較廣泛。

然而，激光切割也存在一些缺陷。首先，光束始終垂直工件表面形成垂直切口，所以對于圓弧面圓管和鋼板切割時由于有壁厚的存在導致切口內外參差不齊狀態。由于受激光器功率和設備體積的限制，激光切割只能切中、小厚度的板材和管材，而且隨著工件厚度的增加，切割速度明顯下降。其次，激光設備體積較大，價格昂貴，占有空間面積大，投入使用時費用高。

3 結束語

鑒于以上激光切割工藝流程分析，此種加工方式優越性顯著，在現代工業領域中應用市場廣闊。在機械制造行業中已經逐步取代了一部分銑、車、鉗、鏜等機械加工工藝;在航空航天領域，激光切割技術主要用于特種航空材料的切割;在非金屬材料領域激光切割也被廣泛應用。

參考文獻

[1] 葉建斌，戴春祥.激光切割技術[M].上海：上?？茖W技術出版社，2018.

[2] 盧小平，張文麗，張英偉.現代制造技術[M].北京：清華大學出版社， 2018.