激光切割裝備在航空零部件制造中的應用

賴仁享 程國祥 謝居懿 張有富

1. 概述

大族激光的G3015—DC025數控激光切割機設備適用于10、45、1Cr13、1Cr17Ni2等結構鋼，以及不銹鋼板料的下料，可加工厚度依據材料硬度不同而變化，一般≤8mm。但該設備引進后未能提供各種板料的激光切割參數，導致激光切割后零件的激光切割痕跡、掛渣嚴重及缺口，在采用激光切割機切割高強度合金鋼厚板時，經常出現切割處熔渣大、邊緣質量差等質量問題，需要對激光切割機的起刀方式及激光切割參數進行優化來提高高強度合金鋼厚板邊緣切割質量。

2. 切割過程與結果

（1）選取典型材料 根據車間零件現狀，選取具有代表性的材料進行切割試驗。材料為30CrMnSiA，5mm。采用以下方式進行激切切割優化試驗，以得到最優參數及起刀方式。

（2）切割、穿孔參數優化 首先，切割參數分析。在保證切割質量的前提下，應盡可能的提高切割速度。這不僅提高生產率，而且能減少被割零件的變形量和割縫區的熱影響區域。若切割速度不合適，其效果相反，而且會使沾渣增加，切割質量下降。

噴嘴高度是指噴嘴端面至被切零件表面的距離，該距離一般為0.5~10mm。該距離要合適才能充分發揮切割效率，否則會使切割效率和切割質量下降或使噴嘴燒壞。

增加氣體壓力能使能量更加集中、噴射力更強，因而可提高切割速度和質量。但氣體壓力過大，反而會使弧柱變短，損失熱量增加，使切割能力減弱，直至使切割過程不能正常進行。

其次，切割、穿孔優化對比。我們根據試驗材料的特性采用表1參數切出零件邊緣，如圖1所示，發現在該零件切割處有較多熔渣，屬于不合格品。

圖1 試驗前邊緣狀態

表1 試驗前邊緣狀態激光切割參數

根據首次切割得到的邊緣狀態，對激光切割參數（見表2）進行針對性調整切割速度、切割噴嘴高度、切割氣體壓力后并試切，切割零件邊緣外觀如圖2所示，該參數切出的零件邊緣質量優良、美觀，達到了改進要求。

表2 試驗后邊緣狀態激光切割參數

（3）起刀方式優化 我們選用經過優化后的切割參數并同時分別采用以下4種不同起刀方式進行切割，來驗證起刀處最佳起刀方式。

第一，引線加封口：該方式為引線引入，起始點與終點不重和。該方式得出結果如圖3所示，此方法得出的零件能做到外形與要求相符，但在起始切割點處有缺口，如圖4所示。

第二，過燒引入：該方式不加引線，通過激光的高功率直接在起始切割點上進行切割。該方式得出結果如圖5所示，此方法得出的零件能做到外形與要求相符，但在起始點處會由于高功率導致切口過大，如圖6所示。

第三，加引線（直線、1/4圓、半圓）：該方式以不同的方式加引線引入，起始點與終點重和。該方式得出結果如圖7所示，此方法得出的零件能做到外形與要求相符，但在起始點處有缺口，如圖8所示。

第四，零件外圓加入零件引入線：該方式是在零件外圓加一條引入線作為零件部分進行切割。該方式得出結果如圖9所示，此方法得出的零件能做到外形與要求相符，且起始點與終點處符合要求，如圖10所示。

圖2 試驗后邊緣狀態

圖3 引線

圖4 缺口（引線加封口）

圖5 過燒引入

圖6 缺口（過燒引入）

圖7 加引線

圖8 缺口（加引線）

圖9 零件外圓加入零件引入線

圖10 無缺口

根據上述4種試驗結果對比，不同的起割方式得出的零件外形與要求都能相符，但在起割處會有不同的缺陷。用引線加封口、過燒引入、加引線這三種方式起割，在起割處有形狀不一的缺口；而在零件外圓加入零件引入線這種起割方式，零件外形與起割處都能得到非常優良的外形邊緣質量。

（4）各種材料通用激光切割參數研究 針對10、45、1Cr13、1Cr17Ni2等結構鋼，以及不銹鋼常用板料的激光切割，我們通過氣體、氣體壓力、切割功率、切割速度、焦點高度等基本參數的調節，最終確定，激光切割參數如表3所示。

如激光切割其他規格材料時，可按以下原則設定參數：

第一，激光切割結構鋼（30CrMnSiA除外）板料時，采用O2切割，其氣體壓力基本上要求不大，只需有O2即可切割板料；切割功率與板料的厚度成正比，切割速度與板料的厚度成反比，焦點高度與板料的厚度成正比。

第二，激光切割不銹鋼板料時，采用N2切割，氣體壓力與板料的厚度成正比，切割功率與板料的厚度成正比，切割速度與板料的厚度成反比，焦點高度與板料的厚度成反比。

第三，激光切割30CrMnSiA板料時，厚度＜3.0mm激切參數與不銹鋼激切參數一致，厚度≥3.0mm激切參數與結構鋼激切參數一致。

3. 結語

通過激光切割參數優化、起刀方式優化試驗，我們較好的解決了結構鋼、不銹鋼板料激光切割后產生的激光切割痕跡、掛渣嚴重及缺口等問題，使零件表面質量得到較大的提升。

表3 結構鋼、不銹鋼激光切割參數