淺析影響激光切割的因素

李召華，張保元，王春凈

（1.空軍工程大學航空機務士官學校，河南 信陽 464000；2.95965部隊）

激光切割是用經過聚焦的高功率密度激光束照射材料，光束輸入的能量遠遠大于被材料反射、傳導或者擴散的部分，這種熱量使被照射處的材料快速的熔化、汽化。與此同時，與光束同軸的高速氣流從切割頭噴出，將熔化或者汽化的材料從切口的底部吹出，隨著切割頭和被切材料的相對運動，生成切口，從而實現切割材料的一種熱切割方法。

切割方法有很多種，如氧氣切割、氧-乙炔切割、鋸割等，和這些切割方法相比，激光切割技術具有切割速度高、切割精度高、加工柔性好等特點，因此在航空航天、汽車輪船、機械制造、家用電器制造等各個領域中得到廣泛的應用。

然而激光切割過程復雜，影響因素多，如果控制不當，無法滿足實際加工需求。影響激光切割的因素有很多，是影響激光加工性能的各主要因素。加工質量的提高，離不開對這些要素的優化。

1 激光功率的影響

激光功率是直接影響加工材料熔融能力的參數。通過加大激光功率能夠使切割的速度更快，能夠切割更厚的工件，能夠切割鋁合金等高反材料。

在切割過程中，切割功率選擇的是否合適，可以根據切割之后切割面的狀態判斷。功率大于最佳值時，切縫周圍的熱影響區會變大，尖角部分會出現被熔掉的現象。另外，切割面上拖曳線的間距也會變大，且從上部到下部呈直線狀。功率小于最佳值時，切割面的下部粗糙度會明顯變差，掛渣又多且硬，去除很困難。

功率為最佳值時，切割面上施曳線的間距會非常小，下部相對于加工的行進方向將稍呈滯后狀態，對切縫周圍的熱影響也為最小，尖角部被熔掉的現象也比較少。

切割功率選擇的是否合適，從可以根據切割過程中火花的濺射狀況判斷。在切割過程中，從加工材料的下部濺射出的火花的狀態直接受切縫內熔融金屬的流動狀況影響。如果功率合適，從加工材料下方濺射出的火花是直線、稍滯后、纖細等形貌；功率設定不當時，在切割過程中從材料的下部濺射出的火花將表現為擴散、與切割行進方向呈反向滯后、變粗等形貌。

2 焦點位置的影響

相對于加工材料的表面而言，激光束聚焦后，焦點所在位置稱為焦點位置。焦點位置對切縫的寬度、坡度、切割面的粗糙度、熔渣的黏著狀態、切割速度等幾乎所有的加工參數都會產生影響。這是因為隨著焦點位置的變化，照射在加工材料表面的光束直徑和射入加工材料的入射角產生變化，這會影響到切縫的形成狀態及切縫內光束的多重反射狀態。這些切割現象又會對切縫內的輔助氣體、熔融金屬的流動狀態產生影響。

把焦點在加工材料表面上的狀態設為Z=0，此時，可以在加工材料表面得到最大的能量密度，熔融范圍比較窄，可進行高精度加工。不論焦點位置是向上移還是向下移，上部的切縫寬度都會變寬。這一變化在使用不同焦距的加工透鏡時也存在同樣傾向。焦點位置處的光束直徑越小、透鏡越是焦點深度小的短焦距透鏡，則上部切縫隨焦點位置的變化而變化的幅度就會越大。

3 噴嘴直徑及高度的影響

噴嘴的直徑決定著熔化、燃燒的可限制范圍以及噴射于加工部位的輔助氣體流量。噴嘴孔的直徑大小必滿足光束順暢通過的要求。噴嘴直徑過小，光束會被噴嘴口截射，切割速度慢，還會導致粗糙的切削表面；噴嘴直徑過大，會使切縫過寬。

噴嘴高度是指被加工板材表面和噴嘴口之間的距離。噴嘴高度過高時，容易造成能量損失，從而出現切不透的現象。而噴嘴高度過低時，會影響切割時濺射物質的驅散能力，也可能使板材變形或者造成切割頭損傷。比如，在噴嘴高度低的情況下切割圓孔時，產生的膨脹物和噴嘴接觸，使圓孔變形，造成加工缺陷，故需要注意。因此，在切割加工時，要設置合理的噴嘴高度，一般設置噴嘴高度為1～2mm，在板材不是很平整的情況下，不同部位的加工高度略有不同，依靠激光設備自帶的隨動系統，可以小幅度自行調節噴嘴高度。

4 輔助氣體類型及壓力的影響

材料切割時，都要采用輔助氣體。選擇什么樣的輔助氣體以及氣壓的高低對激光切割效率和質量有很大影響。

輔助氣體通常可采用氧氣、氮氣、惰性氣體或壓縮空氣等，氣體的種類將影響到加工質量與加工能力。在以氧氣為輔助氣體的金屬切割中，氧氣起著對加工材料燃燒的助燃，以及把熔融金屬從狹窄的切縫內高效排出的作用。在碳鋼材料的厚板切割中，主要利用氧氣燃燒反應產生的熱能進行切割，能使切割過程加速，提高了切割能力，但是其缺點是因為切割面產生化學反應生成一層氧化膜。

用氮氣或空氣進行切割時，輔助氣體的作用就是把因激光束照射而熔化的金屬從切縫的上部推向下部，從加工部的背面排出，防止在背面掛渣。氣體類型不同，切割的效果和速度不同。一般來說，氧氣的切割速度最快，氮氣的切割效果最好，空氣的切割成本最低。

當被加工零件的材質、板厚不同時，所需要輔助氣體的壓力條件也不同。切割鋁材時，利用空氣作為輔助氣體，氣壓越高，沾渣就越少。使用氮氣為輔助氣體的不銹鋼，無氧化，切割也有相同的傾向，氣壓越高，沾渣就越少。碳鋼厚板切割中使用氧氣為輔助氣體，壓力偏低時，沾渣量就增加，壓力偏高時，就會出現燒損。用氧氣為輔助氣體切割不銹鋼時，因為跟碳鋼相比，氧化的熔融狀態的金屬的粘性更高，使用的氣壓也比碳鋼切割時的氣壓更高。總之，無論對哪種材料切割加工，一般情況下，氣壓越高，切割速度會更快，而當氣壓達到某個值的時候，氣體會對激光作用區產生干擾作用，切割速度反而會變慢。

5 與加工材料相關的要素

板材的材質和厚度會影響到激光能量的消耗。材料的表面狀況會影響到激光束吸收的穩定性，而加工形狀又會影響到熱量的擴散。

材質：材料不同，性能不同，對激光束的吸收率也不同，因此，不同的材料具有不同的激光切割適應性。在激光切割加工的時候我們會看到光斑在工件上快速移動，光斑越小說明切割的質量越好。比如，像銅、鋁等具有高反射率的材料，就不利于光斑的形成，所以對切割機的要求更高。

厚度：隨著板材厚度的增加，所需要的激光功率越來越大，而需要的切割速度越來越低。對厚板加工時，若功率不夠，切割速度過快，不容易切透。

表面狀態：同種材質，表面狀態不同，對光束的吸收也不同，特別是表面粗糙度和表面氧化層都會影響表面吸收率。一般來說，材料表面越平整，切割的質量越好。在激光切割過程中，要想提高材料的切割性能，可通過改變材料表面狀態來實現。

影響激光切割的因素有很多，如激光功率、焦點位置、噴嘴直徑及高度等，如果控制不當，很容易出現明顯毛刺、燒蝕、切割面粗糙等質量問題。要防止或者減少這些質量問題的出現，在切割前，要根據板材的材質和厚度來設置相關工藝參數，在切割中一旦出現質量問題，要分析并找出導致質量問題的因素，調整相關工藝參數來改善加工質量。