淺談激光切割質量控制

馬啟明，馬金成，馬門強，郭純正，李祥鵬，張思凡

1.黃山學院 安徽黃山 245000

2.安徽開樂專用車輛股份有限公司 安徽阜陽 236112

1 序言

激光切割機以其切割范圍廣、質量好、效率高及柔性大等優點，在現代工業加工中得到了廣泛應用。隨著激光切割技術的不斷提升，未來應用范圍將會逐漸擴大。激光切割質量受到各種因素的綜合影響，如何在不同的條件下，迅速選擇最優的切割參數，使切割過程保持穩定，提升切割質量，為此了解激光切割加工的特點、參數設置以及切割工藝等至關重要。

2 激光切割質量分析

在激光切割系統中，影響激光切割質量的主要因素有切割工件、切割系統、切割參數。激光切割系統性能在設備硬件裝配完成、輔助耗材選定后就隨之確定，這就需要在采購設備時重點考慮。本文主要從切割工件、切割參數設置及切割工藝等方面分析對切割質量的影響。

2.1 切割工件對切割質量的影響

（1）工件材料特性對切割質量的影響 工件材料的影響主要有以下兩個方面。

1）材料成分：對于不同材料和厚度的工件，其切割的參數也應適當改變。

2）材料表面反射率：一般來說，材料對激光光束的吸收率越高，切割效果越好，反之越差，且影響設備壽命。例如，切割鋁、銅等高反射材料，設備需要配置“防反射裝置”進行切割。

（2）材料表面狀態對切割質量的影響 材料表面狀態的影響主要表現在以下兩個方面。

1）材料表面氧化嚴重，出現銹斑等氧化層時，會影響切割質量，如切縫不規則、有斷續掛渣等現象（見圖1）。

圖1 氧化層板材切割掛渣

2）材料覆膜切割時，需先蒸發去膜。有時蒸發去膜效果差，板材上會留有一層淡淡的覆膜氧化物，這時切割質量會下降，出現起火、掛渣、切割不透等現象（見圖2）。建議切割前覆專用的激光膜，覆膜應平整、嚴密（見圖3）。

圖2 普通膜切割質量

圖3 激光膜切割質量

2.2 參數設置對切割質量的影響

（1）焦點位置 焦點位置直接影響加工質量，不同的板材焦點位置也不同。如果焦點位置錯誤，容易造成切割端面表面質量差、割縫熔渣多，甚至割不透。例如，切割碳素鋼，焦點在板材的上表面；切割不銹鋼，焦點在板材厚度的1/2左右；切割鋁合金，焦點位置接近下表面。同時隨著使用過程中聚焦鏡片的污染，焦點位置會適當向上移動，因此調整焦點位置時需考慮聚焦鏡片污染的影響[1]。

（2）切割速度 在一定的板厚和激光功率下，有一個最佳的切割速度，此時的切割面粗糙度值最小。偏離最佳切割速度時表面粗糙度值就會增加，如切割速度太小，會造成熱輸入過大而產生過燒；如切割速度太大，熱輸入不足，溫度低引起熔融產物黏度大，切割前沿向后傾斜（后拖量增大），不利于氣流對熔融產物的吹除，則產生掛渣，甚至切割不透。一般切割速度與板材厚度成反比，板材越厚切割速度越低。當遇到切割不掉時，可適當調整切割速度，提高切割效率與質量。在低碳鋼板厚2mm、激光功率1000W的情況下，切割速度與切割質量的關系如圖4所示。

圖4 切割速度與切割質量的關系

（3）切割功率 當焦點調整到位時，要有一定功率才能熔化、氣化并切割透板材，一般切割功率大小隨板材厚度的增大而增大。在一定的板厚和切割速度下，如果激光功率過大，造成熱輸入過大，會使工件的熔化范圍大于氣流所能吹除的范圍，熔融物未能被氣流完全吹除而產生過燒；如激光功率太小，熱量不足，越靠近下緣熔融產物的溫度越低，黏度越大，而未能被氣流徹底吹除而滯留在切割面的下緣產生掛渣，嚴重時甚至切割不透[2]。

（4）輔助氣體、氣體純度與氣壓的影響 在激光切割過程中必須添加與被切割材料相適宜的輔助氣體。同軸的氣體除了吹走割縫內的熔渣外，還能冷卻加工表面，減少熱影響區，冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進入透鏡座內污染鏡片導致鏡片過熱。

通常采用氧氣、氮氣、氬氣作為切割輔助氣體，根據工件材料的不同與對切割表面質量的需求選擇不同的輔助氣體。其中氬氣與氮氣所切割的質量比氧氣好，但因其成本高，所以通常使用氧氣作為輔助氣體。氧氣純度要達到99.9%以上才能達到較好的加工質量，純度過低會造成切割不透或使零件切割面有熔渣等多種情況。

氣體壓力對切割質量也有較大影響，當氣壓過低時會出現加工板材面出現掛渣；氣壓過高，工件的切割面會出現鋸齒狀波紋，影響切割面質量。根據不同板材類型，需調節合適的氣體壓力。薄碳素鋼穿孔氣體壓力一般為0.1～0.2MPa；中厚板氣體壓力一般為0.03～0.06MPa，不銹鋼、鋁板、黃銅一般采用低壓（0.1～0.2MPa）氮氣穿孔。當采用氧氣切割時，鋼板越厚，采用的氣壓越低。因為氧氣作為切割氣體，與工件接觸起到燃燒和氧化作用，過低會出現粘連，過高會造成斷面紋路過大，加工零件粗糙。氣壓大小因板材而異，應該通過試驗確定合適的加工氣體參數[3]。

2.3 切割工藝對切割質量的影響

（1）微連接切割 當切割細長工件時，隨著切割頭的移動，工件漸漸脫離板材，沒有受力牽扯，逐漸熱脹冷縮卷曲、變形，從而影響切割精度，存在碰撞切割頭的可能。一般可以通過微連接的切割方法，使工件受板材的牽扯而達到反變形的效果。根據板材厚度、邊長等因素，一般微連接長度設置為加工工件厚度的20%左右。切割變形如圖5所示，變形后的工件不僅尺寸精度無法保證，而且翹起的工件可能與切割頭發生碰撞，損壞設備。圖6所示為微連接切割，微連接3mm切割效果較好。

（2）共邊與補償 為提高切割效率、節省板材，有時會采用共邊切割工藝。共邊是指兩個零件共用一條切割邊，可減少切割路徑，提高板材利用率，減少輔材的使用成本。但同時應考慮在共邊情況下工件的尺寸變化，實際切割操作中應把切割縫所占尺寸考慮進來，設置共邊切割的補償量，以保證工件的加工精度。根據設備性能不同，補償量不盡相同。在設備性能、切割參數一定的條件下，針對不同板材進行實際切割時，測量割縫寬度，確定切割補償量是十分重要的。并且根據加工部件輪廓，設置補償量時，應注意補償方向。

圖5 切割變形

圖6 微連切割

（3）工件的放置 切割工件的放置對切割質量也有一定的影響。一般需要平整且垂直切割頭放置，下方也要盡量留出較大吹渣空間。如放置不平整可能會出現切口斷面傾斜或切割不透的現象，從而影響切割質量；切割時，板材下方應盡量留空曠的空間保證順利吹渣。如果板材下方有其他物體墊在下面，或下方吹渣距離較短會影響到吹渣效果，板材下方可能會出現掛渣等現象。應及時清理工件放置平臺，保證切割時的平整及板材下方的空間。

3 結束語

在實際切割加工過程中，應按照激光切割機設備性能、工件材料、厚度等特性，有效匹配切割參數，配合適宜的切割工藝，會大大提升切割效率和切割質量。首先，根據設備性能及切割耗材等確定設備的加工能力，在加工能力范圍內根據加工材料的特性選擇焦點位置、切割速度以及氣體使用等參數，從而提升切割加工質量。其次，在實際切割作業中，為保證切割質量和生產效率還應考慮微連接、共邊切割等加工工藝。