鈑金加工中的激光切割機應用研究

林樂鋒

（松下冷機系統（大連）有限公司，遼寧 大連 116600）

隨著工業4.0時代的到來，工業對技術的要求也逐漸增高，而對于切割技術來說，相關資料顯示，激光切割正視鈑金加工中切割技術工藝的重中之重，占比會超過70%，可見在鈑金加工中的應用廣泛程度。激光切割技術作為激光加工工藝中，較為重要的一項，其優勢早已被相關企業所認同，彰顯巨大的技術價值，從業者應當正確認識當前社會背景下，激光切割技術的應用現狀，拓寬技術的應用空間，進一步發掘激光切割技術潛能[1]。

1 激光及激光切割機概念淺談

1.1 激光概念分析

激光切割機的主要工作原理，是借助激光光束切割材料，因此在分析激光切割機之前，首先需要針對性分析激光。激光在光物理性質上屬于相干光的一種，相較于普通光束，在單色性能方面，相干光光束具有優良性能和較大能量密度，并且具備較好的導向性能與高亮度，整體性能較好，用途相對廣泛，在各行各業都有機會大顯身手。無論是醫學中的激光治療方案，還是醫美行業的激光祛斑，或是工業生產的激光切割、打孔等等，都可以看出激光的廣泛用途。文章主要強調對激光切割機的工作原理進行探討，強調研究激光的熱量與密度[2]。

1.2 激光切割機工作原理

鈑金加工中，激光切割機主要工作原理為，利用激光光束在鈑金材料表面集中，當發出激光之后就會促成光能向熱能轉化，光束在聚焦過后會比單個光束產生更高熱量，這種短時間產生的熱量會迅速上升到鈑金材料熔點，熔點之后達到沸點，這樣就在產生較高溫度的短時間內，令鈑金材料達到熔化進而汽化，一旦汽化，就會在激光照射點處呈現孔洞，孔洞精準性較強。在孔洞出現的同時，激光切割機基于設備自身導向性能，提前設置預設移動路徑，進而方便激光光束移動。在激光光束移動的過程中，鈑金材料如果接觸到激光光束，就會不斷進行熔化汽化的反應，這種反應不斷增多，就會由點成線，在鈑金材料表面呈現激光裂縫，也就是完成了激光切割工作任務。

2 激光切割技術分類及優勢

2.1 激光切割技術分類

激光切割有很多分類標準，通常基于激光切割原理與激光器的角度分類情況較多，也有按照切割材料、組成結構和工作空間進行分類的情況。如果按照激光器類型分類，可分成光線激光切割、二氧化碳激光切割和YAG激光切割。如果按照切割原理進行分類，則可以分成高壓氣聚焦熔化切割、汽化切割、和氧化熔化切割。其中高壓氣聚焦熔化切割的技術實質為，如果入射激光束密度功率超過特定值之后，被激光光束照射的鈑金材料，會從內部開始蒸發，進而形成孔洞，進而繼續對入射光束能量，形成較好的吸收作用。小孔周圍是熔化的金屬壁，輔助氣流會將孔洞周邊的熔化材料吹走，切割氣體通常應用氮氣較多[3]。

其次是汽化切割，該切割技術是在高密度大功率激光束加熱環境下，令鈑金材料表面溫度迅速升高，短時間內達到沸點溫度，在防止熱傳導效應熔化材料的同時，可以讓鈑金材料汽化消失，材料中的一部分會成為噴出物，在切縫底部位置利用輔助氣流吹走。需要注意的是，鈑金材料的厚度不宜過大，通常在6cm以下，太厚則不易切開。切割氣體通常用氬氣和氮氣較多。

最后是氧化熔化切割，其中熔化切割部分，與前兩種切割方式使用氣體性質相同，通常為惰性氣體，如果用活性氣體代替，則很容易點燃激光光束，與氧氣產生劇烈化學反應，進而在激光束照射作用下點燃材料，也就是氧氣熔化切割的技術實質，此情況下切割速度通常較快。切割氣體通常為氧氣[4]。

2.2 激光切割技術優勢

同傳統鈑金切割技術相比，激光切割技術在優勢方面是顯而易見的，主要體現在以下方面：首先是在速度方面更快，激光光束從照射到鈑金材料表面開始，進而發生熔化、氣化，最后完成切割過程，這個過程時間非常短。在激光打孔時，通常會在幾微妙之內，令鈑金材料快速升至熔點沸點，并在電光火石之間結束切割加工的操作。其次是切割具有高質量，激光光束并沒有因為切割加工時間段，速度快，就忽視了切割質量。從大量電梯鈑金加工激光切割產品來看，切縫不僅小而且細，切口外觀平整性和光滑性也較好，不會在切口部位產生粗糙毛邊或者凹凸不平的現象，整體切割質量也值得信賴。然后是不會對鈑金材料本身產生較大負面影響，如果切割時應用的是傳統切割方法，鈑金材料作用面就會很大程度受到切刀影響，進而對材料性能產生較大影響，但是同樣的切割技術如果用到激光，則不會對材料作用面產生較大影響。最后是激光切割本身具有較強靈活性，這種靈活主要體現在范圍，而且能夠適應鈑金材料的各種形狀，對鈑金材料的要求也不高，絕大多數材料都能滿足激光切割應用條件，可以適應當代數控化工業要求。除此之外，激光切割不僅速度更快，而且最終成型的產品也無需后期打磨，省去了打磨的成本投入，因此整體成本也較低，自然提升了生產加工的經濟效益。

3 激光切割實際應用現狀

3.1 激光切割技術發展現狀

我國工業體系中，激光技術主要在切割、標記、焊接、熱處理加工等方面，從起步來說，我國激光切割工業相較西方發達國家更晚，基礎薄弱，因此激光加工技術還有巨大提升空間。

3.2 融合軟件優勢，令鈑金材料利用率提升

以G4020F-IPG2500型號的激光切割機為例，在應用軟件方面，該型號激光切割機主要采用大族激光切割控制軟件V5.0，在優化排料方面具有更好的輔助功能。在定尺材料方面，優化排料功能能夠允許使用者排列不同零件，零件材料厚度需要保持一致，優化排料功能正好可以將鈑金切割的開料環節省去，一方面可以大幅減少裝夾頻率，也能有效減少工作時長。除此之外，該型號激光切割機兼具“飛行光路”功能，在切割速度上相較傳統切割方式更快，并且省略了加緊被切割鈑金材料，降低了死區問題帶來的負面影響。在編排切割方案方面，也能盡量優化，令材料節能和加工效率不斷提升[5]。

3.3 減少了新產品開發周期

新產品開發周期的降低，減少了模具應用數量，當前社會背景下，鈑金加工面臨的市場競爭尤其激烈，因此每一個鈑金加工企業都需要認真考慮數量增多的鈑金工件。若是采用模具生產的方式，一方面在模具設計與制造問題上，需要一定時間，另一方面，現階段很多新產品鈑金加工主要采用的生產方式為小批量，這樣便無法充分發揮模具的加工價值，既耗費時間，經濟性也不強。但是應用激光切割機則不需要考慮這個問題，激光切割技術的零件不僅在質量方面屬上乘，而且在模具生產環節上也被省略了，不僅在時間上更短，而且效率更高，這也是為維持企業自身競爭力，企業必須重視激光切割技術的應用[6]。

4 激光切割機在鈑金材料生產中的應用

4.1 切割細長工件

相關生產經驗可以證明，由于激光切割機在執行切割操作時，熱量相對集中，對工件產生熱影響不大，用激光進行切割時，可以盡量降低工件熱變形程度。如果工件長度在5m以上，可以對工件直線度進行控制，控制的方式為利用設備自身微連接功能。微連接即是一直令鋼板整體相互連接，最大程度減小應力變形，旁彎誤差控制在2毫米之內，為后續工序中，保證焊接坡口均勻性、直線度和平面度奠定了基礎。

4.2 切割較多孔鈑金材料

首先，在激光切割圓孔時，基于生產試驗和實踐，在鋼板厚度不同的情況下，切割機的最小切割直徑和板厚有一定影響，板厚在特定數值情況下，只要最小直徑不超過工件圓孔直徑尺寸要求，而且直徑尺寸與粗糙度在切割機保證范圍內，就可以進行激光下料的操作，不必要進行鉆孔工序，令勞動生產效率得以提高。

如果工件自身含孔數量較多，而且在試驗中，若激光光束的最小直徑大于絲孔底孔或光孔直徑大，則可以借助激光打點功能，對孔的位置進行確定，從而大幅減少定位孔的工序時間，這樣不僅有助于生產效率和產品精度的提升，而且也能令制造成本大幅降低。

4.3 切割工藝豁口

鈑金工件預留工藝豁口，也有工藝孔或止裂槽的別稱。通常情況下，工藝豁口主要包含三種形式，首先是兩個及兩個以上折彎部位相鄰，另外是某一條邊折彎部分為長度方向部分完全折彎。如果是后者，則會在切割時直接預留割縫。最后一種變形情況，則是鈑金工件在折彎時，工件兩段處于懸空位置。若是這種情況，可以在工件下料階段，用激光切割機預留割縫，避免工件產生形變。

4.4 生產鈑金和鉆孔

如果用于工藝生產的鈑金工件形狀不規則，為了令下料精度與效率得以提升，可以利用激光切割機，完成下料檢測樣板的制作工作；如果鈑金工件卷板成形，在進行工件制作與檢測階段，需要保證樣板和圓弧的吻合程度。通常情況下，如果工件需要鉆孔，在生產依然是小批量生產情況下，通常在模板鉆孔工序上會耗費更長生產周期，激光切割機會最大程度將新產品生產周期大幅縮短，令鉆床加工工件柔性提升[7]。

5 激光切割機在鈑金加工的發展趨勢

首先在完善激光切割鋼板工藝參數的情況下，激光切割鈑金材料，可以在NC代碼轉換過程中更加便捷，速度也會更快，同時能夠較好避免切割工藝自身缺陷，從而大幅提升鈑金工件的生產質量，令生產過程更加高效。另外，激光切割技術會逐漸增加更多功能，令激光使用范圍大幅拓展，對信息資源進行優化整合，發揮出激光切割的技術優勢。在智能化方面，可以在激光切割機中融合計算機數控技術，發揮自動排料、遠程控制與診斷的功能，令激光切割技術自動化程度不斷提升[8，9]。

6 結語

激光切割機在鈑金加工中的應用逐漸廣泛，在信息時代，激光切割未來還有較大發展空間，企業應當重視該技術的應用，充分發揮激光切割技術優勢，提升鈑金切割的產品質量。