光纖激光切割厚碳鋼板小孔的工藝研究

劉 健，劉 鑫，劉 宏

（1.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306；2.青島華世潔環保科技有限公司，山東 青島 266510）

光纖激光切割厚碳鋼板小孔的工藝研究

劉 健1，劉 鑫2，劉 宏1

（1.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306；2.青島華世潔環保科技有限公司，山東 青島 266510）

本文以FL513i型數控激光切割機為平臺，研究了高功率光纖激光切割機在切割厚碳鋼板小圓孔時的切割工藝，通過對工藝參數的調整，研究了光纖激光功率、切割速度、氧氣壓力、焦點位置對切割質量的影響，總結出優質切割厚碳鋼板小孔的工藝參數組合，解決了光纖切割厚碳鋼板質量差的問題，從而使光纖激光在切割厚碳鋼板中的應用更為廣泛。

激光切割；光纖激光；小孔；厚板；切割工藝

激光切割是激光加工行業中最重要的一項應用技術，占到整個激光加工業的70%以上。激光切割與其他切割方法相比，最大區別是它具有高速、高精度及高適應性的特點。同時還具有割縫細、熱影響區小、切割面質量好、切割時無噪聲、切割過程容易實現自動化控制等優點。因此，目前激光切割已廣泛應用于汽車、機車車輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等工業范疇。

激光切割技術使用的激光器主要包括兩類：二氧化碳激光器、光纖激光器。配備光纖激光器的切割機在薄板切割領域在效率和質量上具有很大優勢，但在厚板切割質量上卻遜于二氧化碳激光器，特別是在切割厚板小孔時更是處于劣勢。本文通過激光切割機進行實際工藝切割研究，優化組合切割工藝，解決了光纖切割厚碳鋼板小孔質量差的問題，從而使光纖激光在切割厚碳鋼板中的應用更為廣泛。

1 研究平臺及材料介紹

該工藝研究平臺使用濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司制造的FL513i型光纖激光切割機，如圖1所示。切割系統由數控機床和激光器兩部分組成，激光器為德國rofin公司2000W光纖激光器，功率范圍0～2000W。數控機床配置德國Beckhoff數控系統和伺服驅動系統，以及德國普雷茨特最先進的Procutter自動調焦點切割頭，如圖2所示。切割使用的切割嘴孔徑為?2.3mm，切割輔助用氣為氧氣。

圖1 FL513i型光纖激光切割機

圖2 自動調焦切割頭

實驗使用的板材為厚度16mm低碳鋼板（A3），尺寸規格200mm×500mm。研究切割圓孔尺寸為?10mm。通過修改光纖激光功率、切割速度、氧氣壓力、焦點位置等不同工藝參數，找到工藝參數影響切割質量的變化規律，以實現良好加工的目的。

圓孔切割質量的判斷主要通過以下幾個方面：①切割縫隙表面的條紋及粗糙度。用輔助氣體切割時，切縫表面都會產生條紋，條紋越細、條紋深度越淺，切割質量越好；②切口的掛渣程度。掛渣程度很直觀地反映了激光切割的質量，掛渣越少切割質量越好；③熱影響及過燒情況。關系著小輪廓以及在連續切割中是否能持續得到較好的切割質量，熱影響越小切割質量越穩定；④切割縫隙的寬度。對于金屬加工割縫寬度相對較小的切割質量好；⑤板材上下表面切口垂直度以及一致程度。主要通過卡尺測量，板材上下表面切口越平整、尺寸越接近，說明切割效果越好。

實驗中，考慮到測量的操作性以及厚板切割小孔的特殊性，主要通過前三個方面進行質量判斷。為方便記錄，把三方面的效果由好到差分別編號為0、1、2、3、4、5（其中0為效果最佳、5為效果很差或無法切割）。

2 工藝參數變化對切割質量的影響規律

2.1 光纖激光功率對切割質量的影響

實驗中通過保持其他工藝參數不變，連續更改光纖激光功率的方法得到激光功率變化對切割質量的影響。光纖激光功率從1000W開始，每次增加200W直到2000W功率。

該研究數據如表1所示。

由表1中數據可以看出，在其他工藝參數不變的情況下，在功率為1000W時幾乎不能切割；但隨著功率的不斷增大切割效果變好，當功率達到1600W時粗糙度和過燒情況效果最好；當功率增加到1800W時掛渣程度效果最好。之后隨著功率增加到2000W各項效果開始變差。因此當切割功率為1600W時效果最好，在以后的研究中將把功率設定在1600W。

表1 光纖激光功率變化研究數據

2.2 切割速度對切割質量的影響

在該工藝研究中通過保持其他工藝參數不變，連續更改切割速度的方法得到切割速度變化對切割質量的影響。切割速度從0.4m/min開始，每次增加0.1m/min，直到速度為0.9m/min。

該研究數據如表2所示。

由表2中數據可以看出，在其他工藝參數不變的情況下，在切割速度為0.4m/min時，切割效果較差；但隨著速度的不斷提高切割效果變好，當速度達到0.6m/min時，粗糙度和掛渣程度的效果最好；速度達到0.7m/min時過燒情況效果最好。但隨著速度的不斷提高各項效果均變差，當速度提高到0.9m/min時因速度太快，切割不透導致無法切割。因此當切割速度在0.6m/min時切割效果最好，在以后的切割研究中將把速度設定為0.6m/min。

表2 切割速度變化研究數據

2.3 輔助氣體氧氣壓力對切割質量的影響

在該工藝研究中通過保持其他工藝參數不變，連續更改氧氣壓力的方法得到氧氣壓力變化對切割質量的影響結果，氧氣壓力從0.3kg開始，每次增加0.1kg，直到氧氣壓力為0.8m/min。

該研究數據如表3所示。

由表3中數據可以看出，在其他工藝參數不變的情況下，在切割速度為0.3kg時，切割效果較差；但隨著氣壓的不斷提高切割效果變好，當氣壓達到0.6kg時，各項效果最好；隨著速度的不斷提高粗糙度效果變差、掛渣程度效果變差、過燒情況效果變差。在以后的研究中將把氧氣壓力設定在0.6kg。

表3 氧氣壓力變化研究數據

2.4 焦點位置調整對切割質量的影響

在該工藝研究中通過保持其他工藝參數不變，連續更改焦點的方法得到焦點位置變化對切割質量的影響結果，焦點位置從+1mm開始，每次增加0.5mm，直到焦點位置為+3.5mm。

該研究數據如表4所示。

由表4中數據可以看出，在其他工藝參數不變的情況下，在焦點位置為+1mm時，由于割縫較窄氣流不能很好地通過板材橫截面，因此掛渣程度效果很差；隨著焦點位置的升高，割縫也在逐漸變寬，掛渣程度效果也轉好；當焦點位置為+2.5mm時，粗糙度和過燒效果最好；但隨著焦點位置的不斷提高均逐漸變差。由此我們得出最佳切割焦點位置應在+2.5mm。

表4 焦點位置變化研究數據

3 工藝研究的分析與討論

光纖激光切割是功率密度很大的熱加工，在切割過程中激光能量產生熱能并不可避免地向切割點周邊區域傳導。在切割較大輪廓時熱量比較分散，傳導效果好，然而在切割小圓孔等較小輪廓時熱量比較集中造成板材溫度升高。切割點溫度越高，板材對激光的吸收率就越高，導致該位置得到的激光能量超出了正常所需，同時多余的激光能量會對該位置造成燒蝕，特別是氧氣壓力越大、速度越低時就會加強板材的氧化作用，燒蝕效果更明顯，其效果如圖3所示。該切割位置的割縫會變寬，切割質量會變差；反之，該位置的切割質量就越好，如圖4所示。因此控制切割點附近材料表面的溫度就顯得至關重要。而切割點附近的溫度就是與工藝參數的調整有關了。

圖3 切割質量差

圖4 切割質量好

4 結論

通過對厚度為16mm的碳鋼板進行切割直徑10mm的小圓孔的工藝研究實驗，獲得了工藝參數變化對切割質量影響的規律，得到了較好的優化工藝參數。當光纖激光功率為1600W、速度為0.6m/min、氧氣壓力為0.6kg、焦點位置在+2.5mm時可以獲得最佳的切割效果。通過對以上研究曲線的分析可以看出，在進行厚板加工小圓孔時，采用小功率、慢速度、低氣壓、高焦點的參數量可以避免溫度太高導致過燒，同時獲得最佳的切割效果。

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Technical process research of cutting small holes on thick carbon steel plate by CNC fiber laser cutting machine

LIU Jian1，LIU Xin2，LIU Hong1
（1.Jinan Foundryand Metalforming Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Jinan 250306,Shandong China; 2.Qingdao Huashijie Environmental Protection Technology Co.,Ltd.,Qingdao 266510,Shandong China）

Taking the FL513i CNC laser cutting machine as the platform,the technical process of cutting small holes on thick carbon steel plate by high-power CNC fiber laser cutting machine has been studied.By adjustment of technical process parameters,the influence of fiber laser power,cutting speed,oxygen pressure and focus position to the cutting quality has been studied.The technical parameters combination for high-quality small cutting holes for thick carbon steel plate have been summarized,which solves the poor quality.Thus in this way, the application of CNC fiber laser cutting machine in cutting thick carbon steel plate is more and more wide.

Fiber laser;Small hole on thick plate;Cutting process

TG485

B

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.014

1672－0121（2016）04－0043－03

2016－02－15；

2016－04－07

劉 健（1985－），男，工程師，從事激光加工研究。E－mail：15098939810＠163.com