關于對激光切割工藝的研究與探討

孫鵬

【摘 要】金屬切割是現在生產加工過程中常見的工藝，并且現在已經取得了較快的發展，也有多種切割加工方法，比如激光切割、水切割、天然氣切割等。在這些切割工藝中激光切割可以利用高能量密度的激光束加熱工件，使工件在短時間內達到沸點實現金屬切割，并且切割過程中具有切縫較窄、工件產生的物理變形較小、對切割工具無損傷等優點，因此在金屬加工過程中較為受歡迎。近幾年，隨著激光技術的不斷進步，其在金屬切割中的應用也在不斷增加，也進一步提供了金屬加工的效率和質量。本文針對德國通快和瑞士百超的激光機進行了介紹，同時針對在加工過程中的工藝問題和處理方法進行了介紹，希望能夠進一步提升金屬切割的工藝效果。

【關鍵詞】激光機;金屬切割;工藝問題

引言

金屬切割過程中往往會因為切割設備與金屬之間的劇烈接觸，使工件產生較大的變形和切割縫隙，這樣會給工件的加工和使用帶來諸多的不便。而隨著現代科技的發展，激光切割、等離子切割、水切割等技術得到了快速的發展，現在這些新型的切割工藝已經應用在了實際的生產之中，并且產生了較好的效果。新的切割形式是通過將較高的能量聚集在較窄的空間中釋放出來，以達到可以對金屬進行加工的目的。而激光切割憑借著其經濟型和可靠性的優勢，現在在金屬的生產加工過程中得到了極為廣泛的應用。目前德國通快和瑞士百超的金屬切割激光機已經可以實現對厚度為0.3～25mm的碳鋼的切割和16mm以下的有色金屬板材的切割，基本能夠滿足金屬加工過程中的需求。當然，現在的金屬激光切割工藝仍然不夠完善，還需要我們在不斷的生產和使用過程中進一步改進。

一、激光切割的介紹

激光切割是一種高能量密度、可控性好的無接觸式加工工藝，在進行切割的過程中，激光機能夠將高能力的激光光束聚集在小于0.1m2的區域，并且在該區域內，光束的功率密度可以超過107W～108W/cm2。獲得高能量照射的金屬會在瞬間提升溫度，直至出現氣化的現象。并且當激光機光束的照射隨運動軌跡不斷移動時，金屬就會被切割開。當然，在進行切割的過程中還會有其他的物質參與，比如輔助性氣體可以加快材料的升溫過程，同時還能夠避免融化的金屬雜質附著在金屬表面，一般在進行金屬切割時往往使用氧氣作為輔助性氣體。德國通快和瑞士百超的激光切割機現在較為先進，以通快的激光切割機為例，其可在無模具的條件下，切割出不同形狀大小及各種精度要求的產品，切割精度可達±0.02，特別適合于為客戶提供小批量多品種的業務需求，此設備具備精度高、速度快、適用范圍廣，外觀精美等特點。

二、激光切割的參數及影響

1、離焦量

離焦量指激光光點與被切割工件之間的距離，焦點位置往往會對切割的寬度、坡度以及斷面的粗糙程度產生一定的影響。焦點位置的選取對不銹鋼板切割質量有重要影響。當焦點位置滯后時，切割材料下端單位面積所吸收的能量減少，切割能量削弱，導致材料不能完全熔化被輔助氣體吹走，以致未完全熔化的材料附著在切割板材下表面，呈前端尖銳且短小的沾渣。

2、輔助氣體氣壓

在進行金屬材料切割時，往往會選擇氧氣作為輔助氣體，一方面能夠增加表面溫度的提升速度，另一方面能夠除去切割過程中產生的金屬殘渣。同時當切割口處的溫度過高時，還能夠對切割機透鏡產生一定的保護作用，防止高溫對透鏡的損壞。當然輔助氣壓也會對切割質量產生影響，當輔助氣壓過高時，工件表面會形成渦流，這樣利用氣壓去除表面雜質的作用就會被削弱，使工件表面附著一層金屬殘渣。反之，如果氣壓過低，則無法達到輔助升溫的效果，更無法起到去除殘渣的作用。

3、切割速度

切割速度對不銹鋼板切割質量有很大影響，理想的切割速度使切割面呈現較平穩線條，且下部無熔渣產生。若切割速度過快，會導致鋼板無法切透，并引起火花飛濺。下半部產生熔渣;若切割速度過慢，則容易造成材料過熔，切縫變寬，熱影響區增大，甚至引起過燒。工件所允許的最大切割速度可以根據能量守恒和熱傳導進行估算。

4、切割功率

切割功率也是影響切割質量的關鍵因素之一，激光切割所需要的激光功率主要取決于切割板料厚度以及被切材料的性質。氣化切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧氣切割最小。激光功率對切割厚度、切割速度、切口寬度等有很大影響。一般激光功率增大所能切割材料的厚度也增加，切割速度加快，切口寬度也有所加大。

三、激光切割中常見的工藝問題及處理方法

1.切割加工小孔（直徑小與板厚）變形情況的分析

這是因為機床（只針對大功率激光切割機）在加工小孔時不是采取爆破穿孔的方式，而是用脈沖穿孔（軟穿刺）的方式，這使得激光能量在一個很小的區域過于集中，將非加工區域也燒焦，造成孔的變形，影響加工質量。這時我們應在加工程序中將脈沖穿孔（軟穿刺）方式改為爆破穿孔（普通穿刺）方式，加以解決。而對于較小功率的激光切割機則恰好相反，在小孔加工時應采取脈沖穿孔的方式才能取得較好的表面光潔度。

2.激光切割低碳鋼時，工件出現毛刺的解決方法

根據CO2激光切割的工作和設計原理，分析得出以下幾點原因是造成加工件產生毛刺的主要原因：激光焦點的上下位置不正確，需要做焦點位置測試，根據焦點的偏移量進行調整;激光的輸出功率不夠，需要檢查激光發生器的工作是否正常，如果正常，則觀察激光控制按鈕的輸出數值是否正確，加以調整;切割的線速度太慢，需要在操作控制時加大線速度;切割氣體的純度不夠，需要提供高質量的切割工作氣體;激光焦點偏移，需要做焦點位置測試，根據焦點的偏移量進行調整;機床運行時間過長出現的不穩定性，此時需要關機重新啟動。

3.激光切割加工不銹鋼和鋁鋅板時，工件有毛刺產生的分析

以上情況的出現，首先考慮切割低碳鋼時出現毛刺的因素，但不可簡單地加快切割速度，因為增加速度有時會出現板材切割不穿的情況，此種情況在加工敷鋁鋅板時尤為突出。這時應綜合考慮機床的其他因素加以解決，如噴嘴是否要更換，導軌運動不穩定等。

4.激光未完全切割透狀態的分析

分析后可以發現下面的幾種情況是產生加工不穩定的主要情況：激光頭噴嘴的選擇與加工板厚不匹配;激光切割線速度過快，需要操作控制減小線速度;噴嘴感應不準導至激光焦點位置誤差過大，需重新檢測噴嘴感應數據，特別是在切割鋁材時最容易出現。

5.切割低碳鋼時出現非正常火花的解決方法

這種情況會影響零件的切割斷面光潔度加工質量。此時在其他參數都正常的情況下，應考慮以下情況：激光頭噴嘴的損耗，應及時更換噴嘴。在無新噴嘴更換的情況下，應加大切割工作氣體壓力;噴嘴與激光頭連接處螺紋松動。此時應立即暫停切割，檢查激光頭連接狀態，重新擰緊噴嘴。

結束語

金屬切割是金屬加工工業的必要環節，但是在進行切割的過程中往往會產生較大的金屬形變，給后續的加工和處理帶來較多的麻煩。為了能夠進一步改進金屬的加工工藝，激光切割在這個行業中受到了廣泛的重視。通過大量的切割工藝實驗，對激光切割的了解將會更加深入，并且在相關參數的改進和提升方面也會得到進一步的提升，對激光切割的準確度和效率將會有質的提升。

參考文獻：

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[2]孫加強，焦俊科，張文武，等.基于ABB機器人的光纖激光切割與焊接系統研究[J].應用激光，2014，34（6）：584-588.

（作者單位：中車大同電力機車有限責任公司）