激光切割在碳鋼板（Q345R）加工方面的應(yīng)用研究

孫 斌，方亮，吳許祥，陳金盛，戴樹(shù)晶，丁慶偉，沈店祥

（1.江蘇捷凱電力器材有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200；2.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200）

0 引言

針對(duì)Q345R 板材，傳統(tǒng)的加工方式，如火焰、等離子切割，存在加工精度低、加工效率慢、板材利用率低、生產(chǎn)能耗高、斷面錐度大、表面質(zhì)量差、粉塵污染大等多方面不足之處，導(dǎo)致后續(xù)仍需增加切削，研磨，鉆孔等多項(xiàng)工序才能制造出合格的零件。相比傳統(tǒng)加工方式，激光切割精度高、斷面錐度小、表面光滑，無(wú)需后續(xù)切削，鉆孔等多項(xiàng)工序，直接滿足零件要求。同時(shí)效率更高，污染小，大大降低了生產(chǎn)能耗。在傳統(tǒng)制造業(yè)優(yōu)化升級(jí)的背景下，激光切割取代傳統(tǒng)板材切割已是大勢(shì)所趨。

激光切割加工板材的質(zhì)量?jī)?yōu)劣影響因素眾多，本篇主要針對(duì)碳鋼板（Q345R）對(duì)板材材質(zhì)、光學(xué)鏡片配置、激光光束B(niǎo)PP 值性能和實(shí)際生產(chǎn)中離焦量的控制為著落點(diǎn)進(jìn)行分析和研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)材料

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

激光切割設(shè)備選用江蘇亞威機(jī)床股份有限公司生產(chǎn)的HLF-20000W 切割機(jī)床，實(shí)物圖詳見(jiàn)圖1。機(jī)床測(cè)試配置詳見(jiàn)表1。

表1 選用激光器參數(shù)

圖1 HLF-20000W 切割機(jī)床

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用36mm 厚度Q345R 碳鋼板為研究對(duì)象，切割輔助氣體采用99.99%的O2與激光切割噴嘴同軸輸出。將切割試樣設(shè)計(jì)為如圖2 所示的形狀以方便測(cè)量試樣的斷面垂直度、表面粗糙度和觀察斷面形貌，單位mm。

圖2 試樣形狀

1.3 Q345R 碳鋼板介紹與材質(zhì)分析

Q345R 材料的化學(xué)成分見(jiàn)表2，Q235-A 材料的化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表2 Q345R 的化學(xué)成分

表3 Q235-A 的化學(xué)成分

Q345R 為低合金鋼，Q235-A 為普通炭素鋼。兩者間化學(xué)成分的主要區(qū)別在C 和Mn 含量的差異，而導(dǎo)致兩種的用途和屈服強(qiáng)度不同。也由于化學(xué)成分的差異，在激光切割加工中配合氧氣產(chǎn)生氧化反應(yīng)而形成不同的切割斷面樣貌。

以36mm 板厚為例，相同切割參數(shù)下Q345R 與Q235-A 的切割斷面樣貌，見(jiàn)圖3。Q345R 斷面光滑，除頂部外斷面紋理均勻，底部氧化層粘黏較少，斷面粗超度＜Ra6.5μm，單邊上下垂直誤差＜0.2mm。Q235-A 斷面光滑，除頂部外斷面有偏白色不均勻狀紋理，底部氧化層有粘黏現(xiàn)象，氧化層厚度約0.1mm，斷面粗超度小于Ra8.5μm，單邊上下誤差＜0.2mm。

圖3 Q345R(上)與Q235-A（下）切割斷面樣貌

總體判斷，Q345R 板材激光切割工藝與Q235-A板材切割工藝類似，切割效率、斷面垂直度和斷面粗超度無(wú)明顯區(qū)別。切割斷面樣貌Q345R 較Q235-A紋理更均勻，氧化層粘黏情況較少。

2 光學(xué)配置對(duì)切割的影響

2.1 光學(xué)配置對(duì)光束性能的影響

2.1.1 光束特性參數(shù)——光斑大小

實(shí)驗(yàn)中選用FF200 和FF250 兩款切割頭進(jìn)行試驗(yàn)，不同的聚焦鏡在切割試驗(yàn)中所影響光斑大小，光斑大小可用公式計(jì)算

式中，λ 為波長(zhǎng)，D 為聚焦之前平行光束直徑，K為光束質(zhì)量參數(shù)，衡量光束接近高斯光束的質(zhì)量，通常K＜1，當(dāng)光束是高斯光束時(shí)，K=1，如圖4 所示。

圖4 激光光束與高斯光束示意圖

束腰即高斯光束絕對(duì)平行傳輸?shù)牡胤剑撎幍墓獍甙霃綖槭霃剑赐ㄋ滓饬x上的焦點(diǎn)零位的光斑半徑。由此計(jì)算可得光束經(jīng)聚焦就的光斑，F(xiàn)F250mm 聚焦厚的光斑直徑大于FF200mm 聚焦厚的光斑直徑。

2.1.2 光束特性參數(shù)——瑞利長(zhǎng)度與遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角

瑞利長(zhǎng)度：高斯光束從束腰處傳播至光斑面積增大一倍處，這兩處的距離稱之瑞利長(zhǎng)度。一般認(rèn)為在瑞利長(zhǎng)度范圍內(nèi)，光束近似平行傳播，因此也稱為準(zhǔn)直距離。束腰半徑越大，準(zhǔn)直距離越長(zhǎng)。在瑞利長(zhǎng)度處，光斑半徑為束腰半徑的倍。見(jiàn)圖5。

圖5 激光光束特性參數(shù)

遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角：高斯光束呈雙曲線形式傳播，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角即漸近線的夾角。與波長(zhǎng)成正比，與束腰半徑成反比，即波長(zhǎng)越小，束腰半徑越大，發(fā)散角越小。對(duì)于任意激光束，BPP 為不變量，不隨透鏡、望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)系統(tǒng)的改變而改變。

由此計(jì)算可得FF250mm 聚焦比FF200 聚焦擁有更長(zhǎng)的瑞麗長(zhǎng)度和更小的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，即有效光束性能內(nèi)焦點(diǎn)調(diào)節(jié)范圍更大。

2.2 兩款切割頭焦點(diǎn)范圍的差異

Precitec 兩款切割頭由于聚焦鏡片焦距不一樣，焦點(diǎn)位置可調(diào)節(jié)范圍也不同。FF200 切割頭焦點(diǎn)范圍見(jiàn)圖6，F(xiàn)F250 切割頭焦點(diǎn)范圍見(jiàn)圖7。

圖6 FF200 切割頭焦點(diǎn)與電壓線性圖

圖7 FF250 切割頭焦點(diǎn)與電壓線性圖

200 焦距切割頭與250 焦距切割頭除聚焦焦深和傳感器外形長(zhǎng)度外不同，無(wú)明顯硬件差異。

250 焦距切割頭調(diào)焦范圍為+28～-38，200 焦距切割頭調(diào)焦范圍為+15～-30。

2.3 切割頭選型

以36mm 碳鋼板Q345R 板材亮面切割為例，選擇單層2.0 割嘴進(jìn)行切割：覆蓋到板材表面光斑直徑≥割嘴出氣氣流直徑。同樣的切割條件下，焦點(diǎn)越高，切割斷面粗糙度越低，紋路越輕，效果越好。所以從理論上分析：碳鋼板板材越厚，所需排渣割縫越寬，割嘴內(nèi)徑相應(yīng)選擇變大，切割的焦點(diǎn)要求足夠高以此滿足更大的光斑直徑。受限于切割頭焦點(diǎn)范圍限制，F(xiàn)F200 切割頭無(wú)法滿足焦點(diǎn)調(diào)節(jié)范圍，遂選擇FF250 切割頭。

3 激光光束B(niǎo)PP 值性能的影響

3.1 不同激光芯徑對(duì)應(yīng)不同BPP 值的范圍

測(cè)試選用100um 激光器，其BPP 值標(biāo)準(zhǔn)范圍3.3～4.0，見(jiàn)表4。

表4 光纖芯徑與BPP 值范圍值

3.2 不同BPP 值對(duì)應(yīng)激光能量分布模擬仿真研究

3.2.1 BPP=3.0（圖8）

圖8 BPP 值為3.0 時(shí)光束能量分布示意圖

3.2.2 BPP=3.5（圖9）

圖9 BPP 值為3.5 時(shí)光束能量分布示意圖

3.2.3 BPP=4.0（圖10）

圖10 BPP 值為4.0 時(shí)光束能量分布示意圖

以6kW 激光器/F200 切割頭為例，當(dāng)BPP 值由3.0 增大到4.0時(shí)，在離焦量=0 位置的光束分布，峰幅照度由1.1866E+007 watts/cm2降低到1.1553E+007 watts/cm2，以此說(shuō)明在同等離焦量下，BPP 值越大，光斑直徑越大，單位面積上的能量越小。

3.3 實(shí)際切割效果要求分析

以20kW 激光器/F200 切割頭為例，氧氣切割25mm 碳鋼板，使用D1.6 割嘴，離焦量設(shè)定為+13mm。

當(dāng)BPP 值=4.0，如圖11 所示，離焦量設(shè)定為13mm時(shí)，切割間隙1.0mm，激光照射在板材表面的光束半徑≈0.8337212，即光束直徑≈1.6674424mm＞割嘴直徑1.6mm，此時(shí)碳鋼板氧氣切割效果較好，同時(shí)也可保證割嘴不被激光燒壞。

圖11 光束直徑與離焦量及BPP 值為4.0 時(shí)關(guān)系圖

若BPP 值=3.3，如圖12 所示，離焦量設(shè)定為13mm時(shí)，激光照射在板材表面的光束半徑≈0.6132118，及光束直徑≈1.2264236＜割嘴直徑1.6，此時(shí)碳鋼板氧氣切割效果不佳，紋路較重；

圖12 光束直徑與離焦量及BPP 值為3.3 時(shí)關(guān)系圖

此時(shí)若想要BPP 值=3.3 時(shí)的碳鋼板氧氣切割效果與BPP 值=4.0 時(shí)一致，如圖13 所示，離焦量需要增 大297.17319-292.09695 ≈5mm（13+5=18mm，PROCUTTER 切割頭最高焦點(diǎn)位置為+15mm），此時(shí)超出FF200 切割頭調(diào)焦范圍，無(wú)法滿足切割高質(zhì)量生產(chǎn)需求。

圖13 光束直徑與離焦量及BPP 值關(guān)系圖

對(duì)于碳鋼板氧氣加工，覆蓋到板材表面光斑直徑與割嘴出氣氣流直徑大小影響板材切割斷面紋路，需求激光BPP 不宜太小，測(cè)試選用BPP 值3.7 的激光器進(jìn)行測(cè)試，切割40mm 碳鋼板選用單層2.5 割嘴，離焦量需求到+24mm。BPP 值低于3.5 相同的光斑直徑需求離焦量大于+25mm，超過(guò)兩款切割的焦點(diǎn)調(diào)節(jié)范圍。

4 焦點(diǎn)對(duì)切割的影響與焦點(diǎn)的控制

4.1 焦點(diǎn)位置與板材切割

焦點(diǎn)位置對(duì)切割質(zhì)量的好壞也起著至關(guān)重要的作用。硬件條件相同的情況下，焦點(diǎn)位置直接決定激光光束照射在板材表面的光斑直徑大小，影響切割斷面紋路質(zhì)量（表5）。

表5 FF250 與FF200 切割板厚與割嘴、焦點(diǎn)對(duì)應(yīng)表

4.2 焦點(diǎn)補(bǔ)償功能

4.2.1 焦點(diǎn)校正原理

隨著激光功率越來(lái)越高，切割頭的鏡片的熱透鏡效應(yīng)也越來(lái)越重。機(jī)床切割過(guò)程中，光束在通過(guò)準(zhǔn)直或聚焦鏡片時(shí)，會(huì)有一部分能量被鏡片吸收，鏡片持續(xù)受熱，導(dǎo)致鏡片發(fā)熱，鏡片受熱產(chǎn)生形變，曲率發(fā)生變化，導(dǎo)致焦點(diǎn)向正方向漂移（圖14）。

圖14 焦點(diǎn)溫漂示意圖

焦點(diǎn)校正功能開(kāi)啟后，可補(bǔ)償偏移量，保持實(shí)際焦點(diǎn)位置恒定，提升切割穩(wěn)定性。

4.2.2 焦點(diǎn)溫漂的現(xiàn)象

開(kāi)始切割時(shí)鏡片溫度相對(duì)較低，焦點(diǎn)在設(shè)定值切割，斷面有紋路。

持續(xù)切割后鏡片溫度上升，焦點(diǎn)發(fā)生正方向漂移，實(shí)際焦點(diǎn)相對(duì)于設(shè)定值抬高，斷面紋路變細(xì)。繼續(xù)切割，焦點(diǎn)正方向漂移加劇，導(dǎo)致切割實(shí)際焦點(diǎn)過(guò)高，造成切割不良現(xiàn)象。見(jiàn)圖15。

圖15 碳鋼板焦點(diǎn)溫漂切割現(xiàn)象

4.2.3 焦點(diǎn)補(bǔ)償方案

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)激光持續(xù)出光時(shí)間，根據(jù)出光時(shí)間分四個(gè)階段線性下降補(bǔ)償焦點(diǎn)位置。停止出光，焦點(diǎn)補(bǔ)償功能在調(diào)整周期時(shí)間內(nèi)線性恢復(fù)補(bǔ)償值直到0 停止。見(jiàn)圖16、圖17。

圖16 機(jī)床系統(tǒng)焦點(diǎn)補(bǔ)償參數(shù)模塊

圖17 切割焦點(diǎn)與時(shí)間系數(shù)關(guān)系圖

5 激光加工與傳統(tǒng)加工

5.1 碳鋼板切割工藝歷程

在激光應(yīng)用普及之前，加工碳鋼中厚板通常用火焰切割、等離子切割、高壓水切割等傳統(tǒng)工藝。傳統(tǒng)工藝進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)間較長(zhǎng)，且成本較低，因此市場(chǎng)份額巨大，但傳統(tǒng)工藝都存在一些問(wèn)題，如：火焰切割割縫太寬，加工速度太慢；等離子切割速度和精度雖有提升，但其熱影響區(qū)依然較大，無(wú)法切割對(duì)精度要求高的小零件、小孔；高壓水切割的加工范圍廣，切割質(zhì)量好，但對(duì)水質(zhì)污染大，效率也較低。

隨著激光技術(shù)不斷成熟、成本逐漸降低，柔性化程度更高、切割速度更快、加工精度更高、更環(huán)保的激光切割設(shè)備逐步開(kāi)始贏得市場(chǎng)認(rèn)可。最初激光切割碳鋼中厚板采用的是大噴嘴氧氣切割，這種工藝切割端面為磨砂面，切割速度較慢，所切工件錐度也較大。

為提升加工效率，業(yè)內(nèi)不斷鉆研，開(kāi)發(fā)出亮面切割工藝。亮面切割工藝使用了更小的噴嘴，提升了切割速度，同時(shí)也提升了端面光潔度，降低了工件錐度。

5.2 客戶典型工件切割

以36mm 碳鋼板Q345R 為例，分析對(duì)比激光加工與等離子加工差異，見(jiàn)表6。

表6 激光切割與等離子切割對(duì)比

以客戶生產(chǎn)代表性工件為例，見(jiàn)圖18，整板切割效率對(duì)比，激光切割耗時(shí)3h35min，等離子切割耗時(shí)7h23min。激光切割較等離子切割效率提升約106%。

圖18 客戶典型樣件

6 結(jié)論

經(jīng)研究測(cè)試，面對(duì)Q345R 與普通碳鋼板的差異性，激光切割可勝任板材的加工需求。選擇合適的光學(xué)配置和激光器光束特性，可滿足對(duì)厚碳鋼板加工的高品質(zhì)要求。

通過(guò)光學(xué)元件對(duì)光束性能的影響研究，根據(jù)生產(chǎn)需求的光束特性得到合適的光學(xué)配置搭配。通過(guò)模擬仿真+實(shí)際切割測(cè)試相結(jié)合的方法，分析不同BPP 值對(duì)激光切割質(zhì)量的影響。理論與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，面對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的透鏡溫漂現(xiàn)象，開(kāi)發(fā)焦點(diǎn)補(bǔ)償功能，為碳鋼板持續(xù)穩(wěn)定切割提供保障。

通過(guò)激光切割與傳統(tǒng)板材加工的對(duì)比，分析激光加工的優(yōu)劣，為生產(chǎn)者提供建議參考。