激光切割系統性能對切割質量的影響研究*

葉 暢 季進軍 劉利宏 尹昭輝

(淮安信息職業技術學院，江蘇淮安223003)

激光切割在現代工業中得到廣泛應用，激光切割設備占整個激光加工設備中的比例達70%以上。隨著生產的發展和新工藝的應用，對切割質量的要求越來越高，這對切割工藝規范的選取提出了更高的要求。激光切割質量受到激光切割系統性能和激光切割參數等多方面的影響，其中激光切割系統性能是購置激光器和建立激光切割系統之初必須考慮的問題，其參數設置對切割質量的影響不容忽視，而目前在國內關于激光切割系統性能對切割質量影響研究十分有限，因此為了獲得更好的切割效果，全面系統地研究激光切割系統參數中各個項目，如光束模式、偏光性、噴嘴和氣流等參數選擇就顯得尤為重要［1］。

1 激光切割質量的評價指標［2－3］

1.1 評價切割質量的主要指標

1.1.1 激光切割缺陷

(1)過燒 由于激光功率過大或切割速度過慢，使工件的熔化范圍大于高壓氣流所能吹除的范圍，熔融金屬未能被氣流完全吹除產生過燒，如圖1所示。

(2)掛渣 輔助氣體氣流未能將切割過程中產生的熔化或汽化的材料徹底吹除，而在切割面的下緣附著熔渣的現象稱為掛渣，如圖2所示。

1.1.2 可量化切割質量指標

(1)切割面粗糙度 是反映切割質量的一個重要指標，用Rz表示。

(2)切口寬度 主要取決于光束模式和聚焦光斑的直徑，切割參數也有一定影響。

表1 不同光模切割產生切割面粗糙度數據記錄

(3)切口錐度 當切割參數選擇不當，或輔助氣體壓力不足時，切口容易呈上寬下窄的錐度，如圖3所示。但對薄板切割來說，這不是一個很難解決的問題。

1.2 切割面粗糙度的評價基準

對于厚度在2 mm以上的板材激光切割，切割面粗糙度分布是不均勻的，沿厚度方向差別很大，切割面的形貌分為截然不同的兩部分:上部切割面平整光滑，切割條紋整齊、細密，粗糙度值小;下部切割條紋紊亂，表面不平整，粗糙度值大，如圖4所示。由此可見，靠近下緣位置是切割面粗糙度值最大位置，是切割面質量的薄弱環節。因此在評價切割面質量時應以下緣表面為基準，目前國內多采用距下緣1/3處的粗糙度為基準。

2 影響切割質量的主要因素分析

影響激光切割質量的主要因素大致可分為兩類:激光切割系統性能的影響和激光切割參數的影響。本文主要研究激光切割系統性能對切割質量的影響。

2.1 光束模式對切割質量的影響分析

分別采用TEM00、TEM01兩種光模切割不同厚度板材，產生切口面粗糙度如表1所示。

分析表格1得出結論:為了獲得較好的切割質量和較高的切割效率，最好選擇TEM00模激光，至少不應高于TEM01模激光。

2.2 光束的偏振性對切割質量的影響分析

采用線偏振光進行切割，切割方向相對于光束的偏振方向發生變化，切割前沿對激光的吸收比就發生變化，從而影響到激光切割效果，如表2所示。

分析表2得出結論:采用圓偏振光進行切割，切口最為均勻和整齊。

2.3 噴嘴和氣流對切割質量的影響分析

(1)噴嘴孔徑對切割質量的影響分析

在一定的輔助氣體壓力下，有一個最佳的孔徑范圍，孔徑過小或過大都會影響輔助氣體對切縫內熔融產物的清除，從而影響切割速度。實驗選取1 500 W激光功率，在不同孔徑尺寸下對2 mm厚的低碳鋼、硬質合金進行切割實驗，對切割速度進行對比，實驗數據記錄如表3所示。

另外孔徑還會影響切縫的寬度和熱影響區，如圖5所示，隨著孔徑的增大，切縫變寬而熱影響區變窄。

分析表3及圖5得出結論:在一定的氣體壓力下，對2 mm厚低碳鋼板或硬質合金鋼板，孔徑為1.5 mm左右時，可獲得最大切割速度和較好的切割質量。

表3 切割速度與噴嘴孔徑關系實驗記錄1

(2)噴嘴氣體壓力對切割質量的影響分析

分別選用1 500 W、1 700 W兩種功率及2 mm、3 mm兩種板厚材料，在不同氧氣壓力下對切割速度影響進行切割實驗，結果如圖6～7所示。

由圖6～7得出結論:增加氣體壓力可以提高切割速度，但到達一個最大值后，繼續增加壓力反而會引起切割速度下降;其中用1 500 W激光功率切2 mm板厚，氧氣在0.07～0.10 MPa獲得最大切割速度。

3 結語

(1)用1 500 W二氧化碳激光器切割2 mm厚低碳鋼時，系統參數應選用TEM00模圓偏振光、1.5 mm錐形噴嘴孔徑、0.09 MPa氧氣壓力可得到最佳的切割質量和最大的切割速度。

(2)實驗證明，在激光切割過程中激光功率、激光切割系統性能對切割質量影響也很大，其中光束模式、光束偏振性、噴嘴和氣流都對切割質量有一定影響。為保證產品的技術性，獲得良好的切割質量，需要選擇合適的切割系統參數;為提高產品的經濟性，提高工效，降低成本，還需要在保證品質的前提下，盡可能縮短切割時間。

(3)隨著激光切割工藝的完善，激光切割已逐步從試驗轉化為工業化生產力，從一般的工業應用向精細加工領域發展。

［1］陳武柱.激光焊接與切割質量控制［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［2］張永強.激光切割質量同軸視覺檢測與控制研究［D］.北京:清華大學機械工程系，2006.

［3］張永強，吳艷華，陳武柱，等.激光切割質量在線評價方法的研究［J］.中國激光，2006，33(11):1581－1584.

［4］閆毓禾，鐘敏霖.高功率激光加工及其應用［M］.天津:天津科學技術出版社，1994.

［5］Mukherjee K，Mazumder J.Laser in metallurgy［M］.Chicago:Metallurgical Society of AIME，1981.