高功率光纖激光切割中厚碳鋼板的安全與工藝研究

濟南邦德激光股份有限公司 張建柱

■光纖激光切割基本原理

光纖激光切割機可以切割金屬片材和金屬管材，在耗材、效率、環保等方面也領先于其他傳統金屬切割工藝。正確使用光纖激光切割機不僅有利于保持切割精度，確保人員安全，還能延長設備使用壽命。本文采用12kW，MAX 光纖激光器對Q235-A 碳鋼進行系統的激光切割工藝實驗，通過對工藝參數的調整,研究切割速度、噴嘴距離板材表面距離、焦點位置、氧氣壓力對激光切割質量的影響后，進一步總結調試激光切割碳鋼參數的方式方法，采取最合適切割碳鋼板的工藝參數組合，實現激光切割碳鋼板時工藝參數合理化和標準化，從而使高功率光纖激光在切割中厚碳鋼板中得到更為廣泛及安全的應用。光纖激光切割是利用高功率密度的激光束掃描過金屬材料表面,在極短時間內將金屬材料加熱到幾千甚至上萬攝氏度,使金屬材料熔化或氣化,再用輔助氣體將熔化或氣化的物質從金屬切縫中吹出,達到切割金屬材料的目的。碳鋼板材激光切割主要分為熔化切割和氧化切割，如圖1。

圖1 激光切割原理和切割頭原理示意圖

（1）熔化切割原理

當一定功率密度的激光束照射在金屬材料表面時，會造成其表面至上而下開始熔化蒸發，形成孔洞，作為黑體吸收所有的入射光束能量。孔洞被融化金屬壁包裹后，與光束同軸的輔助氣流把孔洞周圍的熔融金屬材料吹除帶走，不與金屬發生反應。隨著金屬與激光光束之間的相對移動，即形成割縫。

（2）氧化切割原理

激光氧化切割使用活潑的氧氣作為輔助氣體。由于氧氣與已熾熱了的金屬材料發生化學反應，釋放出大量的熱量，使得金屬材料進一步被加熱。金屬材料表面在激光束照射下很快被加熱到燃點溫度，與氧氣發生強烈的燃燒反應，放出大量反應熱量，在此熱量作用下，金屬材料內部形成充滿蒸汽的小孔，而小孔周圍被熔化的金屬材料所包圍，使燃燒物質轉移成熔渣。通過控制氧氣流速和金屬材料的燃燒速度，將割縫出口處的反應產物即金屬氧化物排出，即完成切割。

■激光切割實驗條件

實驗設備采用BECKHOFF（倍福）激光切割數控系統，深圳創鑫公司生產的MFMC激光器，最大輸出功率為12kW，傳輸光纖芯徑為100μm，光束質量參數BPP（光束參數乘積）為4mm·mrad。切割頭為德國Precitec2.0,為透鏡式聚焦，準直焦距為100mm，聚焦焦距為200mm，聚焦光斑直徑為0.2mm，能夠承受的最大激光功率為20kW。

實驗材料采用Q235A 低碳鋼板（冷軋），進行切割并采集數據，探究激光切割碳鋼最佳調試方法。輔助切割氣體采用體積分數為99.9%的氧氣，切割圖形為50mm 的方形。Q235A 低碳鋼板的主要化學成分如表1。碳鋼的物理特性對激光切割有著重要影響，如激光的吸收率、反射率等，Q235A 低碳鋼的物理特性如表2。

表1 Q235A 的化學成分

表2 Q235A 的物理特性

■影響中厚碳鋼切割質量主要因素的分析試驗

根據影響激光切割碳鋼質量的因素，選取10mm、16mm、18mm、20mm、25mm 厚度的Q235A低碳鋼板進行切割試驗，對切割斷面效果進行對比分析。（注：設備運行時間長時產生的不穩定性需在長時間切割時才會表現出來，在此不做試驗比較。）對選取的不同厚度的碳鋼進行工藝優化后，得到的最佳工藝參數如表3。

表3 最佳工藝參數

（一）碳鋼切割工藝參數的影響

根據最佳切割參數進行試驗，最佳標準為切割面下部無毛刺，切割面平滑。通過采用控制變量法，分別從切割高度、焦點位置、切割氣壓、切割速度4 個方面進行試驗，可以直觀地驗證切割效果的變化。

1.切割高度H（mm）

切割高度H（mm），即噴嘴距離板材表面的距離。在高功率激光切割碳鋼時，合適的切割高度，對切割截面的質量影響至關重要。根據不同厚度的碳鋼，切割高度設置不同，通過每次調整相應的數值，各切割1次，做好數據記錄并比較切割的狀態，最終取得切割效果最佳的高度值。經多次切割試驗，得到的激光切割碳鋼截面狀態如圖2。

圖2 碳鋼切割截面狀態

理論上碳鋼切割高度越低，離板面越近，光束傳播質量越高，氣體流向也較小，在不影響電容感應的情況，切割高度越低越好。但對于中厚碳鋼板來說，正焦切割，切割高度太高，氧氣純度和壓力將折損較多，切割高度太近會影響熔渣排出能力。所以對中厚碳鋼板來說，切割高度在1mm 左右時，碳鋼截面質量較好。

（2）焦點位置F（mm）

焦點位置是激光焦點到碳鋼表面的距離，它直接影響到截面粗糙度、切縫坡度和寬度，以及熔融殘渣的附著狀況。根據焦點的偏移量進行調整，保持其他參數不變。每變化一個固定值，切割1 次，做好記錄，并比較切割面的質量，以確定切割最佳的焦點位置。通過以上步驟，經多次切割試驗，得到各種厚度碳鋼的激光切割碳鋼截面狀態，見圖3。

圖3 碳鋼切割截面狀態

在特定條件下，碳鋼正焦切割時，焦點在切割材料的上方，光束到達碳鋼表面后照射范圍變寬，并在切縫內擴散，使切縫下部比上部大，有利于氧氣到達碳鋼底部參與充分的氧化反應；同時，碳鋼底部較大的切縫也有助于熔渣的排除。

對于碳鋼的氧氣切割來說，在一定焦點范圍內，正焦點的偏移量越大，碳鋼表面光斑尺寸越大，熔化和氧化反應恰到好處，碳鋼切割面就越明亮和越光滑；而超出一定范圍，激光束的整體能量不足，切割面完全靠氧化反應的熱量形成，造成碳鋼下部紋路傾斜嚴重。也會造成碳鋼切不透或底部掛渣。（注：在實際切割應用中，需根據切割需求，選擇合適的焦點。）

（3）切割氣壓P（KPa）

通過比例閥調整切割氣體的壓力大小，氣壓從40KPa～100KPa逐步調整，保持其他參數不變，其中1MPa（兆帕）=10bar（巴）=1000KPa（千帕）。

氧氣氣壓每增加一定值，切割1 次，比較切割截面質量，確定切割氣體壓力值。通過以上步驟，經反復切割試驗，得到的激光切割碳鋼截面 狀態見圖4。

圖4 碳鋼切割截面狀態

該試驗條件中，在確保氧氣純度的前提下，氧氣壓力不足，不能完全吹走熔融物，碳鋼下表面就會粘附沾渣，粗糙度增加并且切割速度不能提升；如果氧氣壓力偏大，碳鋼表面出現渦流，削弱去除熔融物的能力，導致切縫變寬、切割面粗糙和切割質量變差的情況。

使用氧氣切割碳鋼主要反應為化學反應，其中氧氣有助于散熱及助燃，吹掉溶漬，提高碳鋼切割截面質量。為了平衡碳鋼中碳的灼燒產生更高的熱量以及鐵的化學反應，在調節氧氣氣壓時要注意壓力不可過大。同時也要注意比例閥的控制范圍：一般越接近比例閥的壓力最低控制范圍，碳鋼切割的截面越明亮。因此切割時應調節合適的氧氣壓力，才能得到最佳的碳鋼截面切割質量。

（4）切割速度S（m/min）

切割速度選擇是根據碳鋼的材質和厚度來確定的。通過對不同厚度碳鋼的切割速度進行調整，每改變一定的速度值，則切割1 次，做好記錄比較切割質量，確定切割質量最佳狀態的切割速度。經試驗，得到激光切割碳鋼截面狀態見圖5。

圖5 切割截面狀態

激光切割加工中，切割速度對碳鋼板的截面質量有很大的影響。在特定條件下，切割速度與切割質量并非成線性關系。合理的切割速度是一個范圍值，低于此范圍則激光束的能量過多停留在碳鋼表面形成過燒，高于此范圍則激光束能量來不及完全熔化碳鋼，熔融物不能及時被吹掉，將會使切縫重新焊接，導致不完全切割的現象。通過進行激光切割的試驗，可以進一步掌握中厚碳鋼的切割工藝參數調試方向，為高功率光纖激光切割設備調試提供一個參考標準，以達到切割時的安全、穩定及一致的效果。

■光纖激光切割機安全注意事項

1.制定嚴格安全操作規程，生產時按照說明進行規范操作；光纖激光切割機操作人員，必須經過專業培訓，具備資格才能上崗操作；

2.指定激光安全管理區域，在管理區域的出入口設立安全警示標識，提醒內容包括：安全區域范圍、激光加工機的功率、激光種類、風險提示、禁止外人進入、注意保護眼睛等風險提示內容；

3.工作區不應有易燃易爆物品存在，同時具有相應的消防防范設施；

4.設備在工作時，操作員不得擅自離開工作崗位或托人照看，應當斷電或停機；

5.光纖激光切割機操作者或在激光使用期間接近激光的人員，應佩戴激光防護鏡，穿防護衣，在配戴防護鏡加工區域內有良好的照明條件，以保證操作者順利操作；

6.在未弄清材料是否能適用激光切割時，應進行必要技術甄別，以免產生風險。

■結論

作為一種先進的加工手段，高功率激光切割加工技術在我國已得到不斷發展與進步，且日漸成熟，越來越為廣大加工品生產者所接受。

并且隨著計算機技術和光學技術的快速發展，高功率激光切割加工的前景十分光明。但在現階段激光切割加工仍然存在一些問題，特別是在高功率激光切割中，影響切割質量和安全的問題還有很多，使機械與電氣間的互為銜接更為復雜，而且是多種因素并存，稍有不慎就會帶來不可估量的安全事故和經濟損失。通過對切割工藝進行持續不斷的科學探究、改進和技術創新等，既為提升高功率激光切割機的運行效率，也可探討出益于企業生產中安全性和穩定性的方法，對推動企業營建可持續健康發展的安全運行保障環境具有重要意義。