基于桌面型激光切割機的激光切割工藝研究

張峻崧 田明潔 羅文滔 曾楷煜 何家輝 文小燕

（1.西南交通大學機械學院，四川 成都 611756；2.西南交通大學工程訓練中心，四川 成都 611756）

0 引言

近十年激光加工技術的應用和發展已完全證明了激光加工技術是對傳統加工技術的一次革命。激光加工是利用聚焦后具有很高的能量密度的激光束，與被加工材料產生光熱效應來完成加工的一種特殊加工方式。 激光加工不需要刀具，加工速度快，對材料的熱影響區小，表面變形小，可對多種材料進行各種加工，如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。與傳統加工技術相比，激光加工技術具有節約材料、生產成本低、對加工對象具有很強的適應性等優勢。

2017年西南交通大學工程訓練中心引入了多種激光加工設備、建設了激光加工平臺，用于教學、競賽和課外創新活動中。在近兩年的加工實踐中，出現加工質量不能滿足實際需求的情況，尤其是競賽和課外創新實踐活動中有對精度要求較高的零件時，往往加工質量達不到要求。例如用桌面型切割機進行非金屬厚板切割時，出現切面有斜坡、小孔圓度不夠、尺寸精度不夠等情況。這就需要對切割加工進行深入研究，探索改進加工工藝，以提高加工質量，更好地為教學、競賽和課外創新活動服務。

1 激光切割加工的主要質量問題

1.1 切割加工精度

激光切割的加工精度是由設備性能、光束品質、加工現象等決定的整體精度。加工精度包括定位精度等靜化精度和由加工形狀（隨加工速度變化）表示的軌跡精度，即動化精度。光束品質確定的精度受照射光束的圓度、強度分布不均以及光軸紊亂的影響。加工現象決定的精度與氧化反應熱混亂產生的異常燃燒、熱膨脹、切割面粗糙等被加工物的物性有關系。

1.2 切割面垂直度

切割過程中，隨著被加工點遠離光束焦點，激光束變得發散，根據焦點的位置，切割朝著頂部或者底部變寬，切割邊緣偏離垂直線，導致切割面與材料表面不垂直，有一定的坡度。切割邊緣越垂直，坡度越小，切割質量越高。

1.3 切割面的粗糙度

切割面粗糙度的高低是衡量激光切割表面質量的關鍵。切割過程中，切割面會形成垂直的紋路，紋路的深度決定了切割表面的粗糙度，越淺的紋路，切割斷面就越光滑。粗糙度不僅影響邊緣的外觀，還影響摩擦特性，大多數情況下，需要盡量降低粗糙度。

1.4 切割輪廓轉角加工能量過大

在切割過程中，切割頭的速度會隨著切割輪廓的變化而變化，尤其是在轉角處，切割頭有明顯的停頓。這導致在轉角處切割加工能力過大而燒蝕材料，導致切縫變寬、尺寸精度下降及切割面粗糙。

2 激光加工工藝改進方法與實驗

該文中所有問題分析、工藝方案與實驗均針對桌面型激光切割機，其激光器為60W的CO2激光器，光路結構為飛行光路，切割頭聚焦鏡焦距50.8mm。

2.1 切割面的垂直度

在進行激光切割時，所加工的成品切割面與材料表面的垂直度不夠，存在坡度，筆者要減少或者消除這種坡度帶來的不良影響，首先就需要了解這種坡度的形成機理。

在切割非金屬材料時，切口壁幾乎沒有激光反射，焦點位置下方的切口形狀隨激光束的擴展而膨脹，但隨著板厚方向輸出能量的減弱，切口寬度會變窄，如圖1所示。為減少切縫寬度，筆者可以通過改變焦點位置或者優化光束的擴散角和能量密度來實現。表1展現了在功率P=75%，切割速度V=6mm/s時，通過改變離焦量z來切割厚度為6mm亞克力板（40mm×40mm）時得到的數據，如表1所示。

圖1 非金屬切割的切口形成機理

從該實驗測量所得數據可知，隨著焦點偏移量的增加，切割坡度呈現先減少后增大的趨勢，且最小坡度位于離焦量z區間（-2，-1），如圖2所示。

圖2 不同離焦量對切割坡口的影響

另外一種方法是優化光束的擴散角和能量密度，擴散角優化的方法有很多，例如在切割對象（非金屬材料）表面上再加上1塊開縫的金屬板，其內壁反射的光束可以用于切割，可以達到穩定切割坡度的目的[1]。

2.2 切割表面質量

比較理想的切割表面應該是光滑、紋路少且沒有脆性斷裂。影響切割表面質量的因素主要有切割速度和激光功率2個方面。

2.2.1 切割速度對表面加工質量的影響

對給定的激光功率密度和材料，激光加工設備的手冊上給出了切割速度的范圍，在一定范圍內提高激光加工的功率密度，可以加快切割速度。在保證材料有較好的表面質量的情況下，切割速度與激光加工的功率成正比，與材料的厚度成反比。當切割速度太低時，激光束與被加工材料作用的時間變長，激光束入射到材料表面的能量增加[2]，熱影響區變大導致上方切縫較大，激光束在6mm的寬度中發散，到下表面時能量仍足夠融化亞克力板，導致下方切縫更大，表面質量差。切割速度適當提高后使經6mm高度上發散后的激光束剛好能切開下表面，此時切口質量最好，切口表面粗糙度降低，切縫變小，同時亞克力板的焦糊也變少。以下是筆者針對不同切割速度以0離焦量、75%激光器功率，使用6mm亞克力板切割40mm×40mm正方形，整理出來的數據以及擬合的切割速度與形成的坡口質量之間的關系，如表2。

表2 不同切割速度對應的上下表面坡口大小（單位：mm）

采用不同速度切割得的材料如圖3所示（從左到右速度分別為3mm/s~8mm/s）。在一定速度范圍內，速度較慢時，由于能量過大導致加工表面存在缺口以及光滑度不高、透光差等問題，隨著速度提高，光滑度、透光性均提升，且缺口變少。

圖3 不同切割速度下的切割表面質量

由上可看出激光加工存在某一理想速度閾值，越接近該速度閾值，加工質量越好。據筆者實驗得出，P=75%z=0時的速度閾值點約在8mm/s處，大于9mm/s材料切不透，在小于7mm/s時由于激光走刀慢導致能量集中，材料表面熱影響區變大，激光發散更為嚴重，造成坡口較大，如圖4所示。

圖4 不同切割速度對坡口的影響

2.2.2 激光功率對工件切割質量的影響

激光束功率過小，導致切不透或切口表面粗糙，并且加工速度慢。但是激光功率也不能過大，隨著激光功率的增大割縫寬度逐漸增大。功率增大導致熱影響區變大，融化更多的材料因此使切縫增大。而隨著功率的增加表面粗糙度先減少后增大[3]。因此對不同材料不同厚度的工件需要選擇一個最佳加工功率。以下是筆者用6mm亞克力板切割40mm×40mm正方形時得到的坡口數據，如表3。

表3 不同功率對“T”形坡口的影響（單位：mm）

采用不同功率切割得得材料如圖5所示（從左到右功率分別為45%~90%）。在一定功率范圍內，加工表面紋路先減少后增加，透光性和光滑度先提高后降低，速度較慢時，功率大約在65%~75%時，可獲得較理想的表面加工質量。

圖5 不同切割功率下的切割表面質量

由以上曲線可以看出切割6mm亞克力板v=8mm/s時選擇功率區間為70%~80%可獲得較好的加工質量。功率為 75%時加工質量最好。當功率大于80%會出現燒糊，激光功率過大導致熱影響區過大使表面質量變差，坡口變大，小于60%時激光光束能量不夠，到達下表面時因為發射一定的角度導致未能到達材料的熔點而切不透，如圖6所示。

圖6 不同切割功率對坡口的影響

2.3 切割轉角處切割能量過大

利用激光技術可以切割各種類型的材料，與傳統切割方法相比，激光切割速度快，熱影響區小，但是激光光束的能量高度集中，在切割過程中，由于激光的切割工藝流程，在轉角處存在速度變化，易產生切割能量過大而出現材料碳化的現象，尤其是切割木材。

激光切割木材有2種不同的基本機制，即瞬間蒸發和燃燒。在切割過程中采用何種機制取決于激光功率密度值的大小，若功率密度足夠大就可獲得瞬間蒸發的切割效果，而這也是較為理想的切割機制，切面不產生炭化。若激光的功率不足，則會形成燃燒機制的切割，這是一種不理想的狀態，切割速度慢，切割所消耗的能量也比蒸發機制大2~4倍，且切邊有炭化現象產生[4]。但在實際的激光加工木材的過程中，由于激光光束照射過程中受到激光輸出功率或光束模式等因素的影響，燃燒過程會伴隨著大多數蒸發機制的激光加工過程。

在分析了炭化的原因后，聯系實際，在不更改設備的輸出功率、光束模式等內部因素下筆者決定采用改變激光加工路徑的方法來降低炭化的程度。實驗過程中我們采用加工設備的推薦功率及速度進行實驗，包括加工正方形、倒圓角之后的方形、引輔助線的方形3種方式，如圖7。

圖7 轉角倒圓角或引輔助線處理

通過多次實驗并比較實驗結果筆者得出以下結論：激光加工轉角處由于能量過多導致的炭化現象，在不改變儀器的情況下，采用倒圓角、引輔助線等方式可以有效降低炭化程度，具體實驗結果如圖8所示。

圖8 不同切割工藝時轉角的加工質量對比

3 結語

在對激光加工過程中出現的質量問題分析的基礎上，筆者提出了改進措施，并通過實驗進行了驗證，主要結論如下。1）在激光切割的坡度問題中可以通過改變焦點偏移量解決，優化后的最小坡度位于離焦量z區間（-2，-1）。2）在激光切割轉角時產生材料炭化問題上，在不改變設備0基本結構的條件下，可以通過改變激光的加工路徑來降低炭化程度，主要包括倒圓角、引輔助線方式。3）通過實驗可知激光加工存在某一理想速度閾值，越接近該速度閾值加工質量越好。據筆者實驗得出，當P=75%、z=0時的速度閾值點約在8mm/s處，大于9mm/s材料切不透，在小于7mm/s時由于激光走刀慢導致能量集中，材料表面熱影響區變大，激光發散更為嚴重因此造成坡口較大。切割6mm亞克力板時v=8mm/s時，選擇功率區間為70%~80%可獲得較好的加工質量。功率為 75%時加工質量最好。當功率大于80%會出現燒糊，激光功率過大導致熱影響區過大使表面質量變差，坡口變大，小于60%時激光光束能量不夠，到達下表面時因為發射一定的角度導致未能到達材料的熔點而切不透。