激光切割參數(shù)對(duì)板材品質(zhì)影響的研究

葉 暢，尹昭輝，季進(jìn)軍

（江蘇省電子產(chǎn)品裝備制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 淮安 223003）

激光切割在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，激光切割設(shè)備占整個(gè)激光加工設(shè)備比例達(dá)70%以上[1]。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和新工藝的應(yīng)用，對(duì)切割品質(zhì)的要求越來(lái)越高，這對(duì)切割工藝規(guī)范的選取提出了更高的要求。但是激光切割品質(zhì)受到各種因素的影響，為了獲得理想的切割品質(zhì)，各個(gè)切割參數(shù)被限制在一個(gè)很窄的范圍內(nèi)。因此對(duì)影響激光切割表面品質(zhì)的主要因素，如工作氣體、激光功率、輔助氣體、焦點(diǎn)位置及切割速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比，研究出相應(yīng)條件下的加工最優(yōu)工藝參數(shù)，對(duì)保持切割品質(zhì)穩(wěn)定尤為重要。

1 激光切割質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)[2,3]

關(guān)于評(píng)價(jià)切割質(zhì)量的主要指標(biāo)，作如下闡述。

1.1 激光切割缺陷

（1）過(guò)燒。由于激光功率過(guò)大或切割速度過(guò)慢，使工件的熔化范圍大于高壓氣流所能吹除的范圍，熔融金屬未能被氣流完全吹除，產(chǎn)生過(guò)燒，如圖1 所示。

圖1 過(guò)燒

（2）掛渣。輔助氣體氣流，未能將切割過(guò)程中產(chǎn)生的熔化或汽化的材料徹底吹除，而在切割面的下緣附著熔渣的現(xiàn)象，稱為掛渣。如圖2 所示。

圖2 掛渣

1.2 可量化的切割品質(zhì)指標(biāo)

（1）切割表面粗糙度。是反映切割品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，用Rz 表示。

（2）切口寬度。切口寬度主要取決于光束模式和聚焦光斑的直徑，切割參數(shù)也有一定影響。

（3）切口錐度。當(dāng)切割參數(shù)選擇不當(dāng)，或輔助氣體壓力不足時(shí)，切口容易呈上寬下窄的錐度，如圖3 所示。但對(duì)薄板切割來(lái)說(shuō)，這不是一個(gè)很難解決的問(wèn)題。

圖3 切口的錐度

1.3 切割面粗糙的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)

對(duì)于厚度在2 mm 以上的板材激光切割，切割面粗糙度分布是不均勻的，沿厚度方向差別很大，切割面的形貌分為截然不同的兩部分，上部表面平整光滑，切割條紋整齊、細(xì)密，粗糙值??；下部分切割條紋紊亂，表面不平整，粗糙度值大。如圖4 所示。

圖4 采用不同切割參數(shù)的切割面形貌

由此可見(jiàn)，靠近下緣位置，是切割面粗糙度值最大位置，是切割面品質(zhì)的薄弱環(huán)節(jié)，因此在評(píng)價(jià)切割面品質(zhì)時(shí)，應(yīng)以下緣表面為基準(zhǔn)，目前國(guó)內(nèi)多采用聚下緣1/3 處的粗糙度為基準(zhǔn)。

2 影響切割品質(zhì)的主要因素分析

影響激光切割品質(zhì)的主要因素，大致可分為兩類：激光切割系統(tǒng)性能的影響和激光切割參數(shù)的影響。本文主要研究激光切割參數(shù)對(duì)切割品質(zhì)的影響。

2.1 焦點(diǎn)位置對(duì)切割面粗糙度的影響分析

選取激光功率500 W，對(duì)2.3 mm 厚軟鋼進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，切割速度2 m/min，焦點(diǎn)距離63.5 mm。實(shí)驗(yàn)得出點(diǎn)陣圖如圖5 所示。

圖5 焦點(diǎn)位置對(duì)切口表面粗糙度的影響[6]

分析得出結(jié)論：由圖5 得出切口光潔范圍是：0.988＜ab＜1.003，所以一般切割常將焦點(diǎn)置于工作表面下1mm 的范圍。

2.2 激光功率和切割速度對(duì)切口寬度的影響分析

分別試用激光功率400 W、600 W、800 W、1 200 W、1 600 W 切割機(jī)，對(duì)1 mm 厚低碳鋼板進(jìn)行切口實(shí)驗(yàn)；另用激光功率600 W 采用不同切割速度切割機(jī)，對(duì)1 mm 厚低碳鋼板進(jìn)行切口試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。兩數(shù)據(jù)如表1、表2 所列。

表1 不同功率產(chǎn)生的切口寬度數(shù)據(jù)記錄表

表2 不同切割速度產(chǎn)生的切口寬度數(shù)據(jù)記錄表

分析以上兩表格數(shù)據(jù)，可得出結(jié)論：切口的寬度隨激光功率的增加而增大，隨切割速度增加而減小。

2.3 激光功率對(duì)切割面粗糙度的影響[2]

分別試用400W、600W、800W、1 000W、1 200W、1 600W 幾個(gè)激光功率，采用3 m/min 的切割速度，對(duì)2 mm 厚低碳鋼板進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，分析近下緣處粗糙度。分析數(shù)據(jù)如表3 所列。

表3 不同功率切割產(chǎn)生切割面粗糙度數(shù)據(jù)記錄表

分析表3 數(shù)據(jù)，可得出結(jié)論：

（1）激光功率太小，熱量不足，越靠近下緣熔融產(chǎn)物溫度越低，因而未能被高壓氣流徹底吹除，而滯留在切割下緣產(chǎn)生掛渣[5]；

（2）激光功率太大，造成熱輸入過(guò)大，使工件的熔化范圍大于高壓氣流所能驅(qū)除的范圍，熔融金屬未能被氣流完全吹除，而產(chǎn)生過(guò)燒。

（3）由表3 數(shù)據(jù)可以看出，有一個(gè)最佳激光功率范圍（800～1 000 W），此處切割面粗糙度最小。

2.4 切割速度對(duì)切割面粗糙度的影響

選試用1 000 W 激光功率，采用不同的切割速度，對(duì)2 mm 厚低碳鋼板進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，分析近下緣處粗糙度。分析數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 不同切割速度產(chǎn)生切割面粗糙度數(shù)據(jù)記錄

分析表4 數(shù)據(jù)，可得出結(jié)論：與選擇不同功率類似，切割速度太小，會(huì)產(chǎn)生過(guò)燒；切割速度太大，會(huì)掛渣，近下緣的粗糙度都很大。在所選切削速度范圍內(nèi)，有一個(gè)最佳切割速度50 mm/s。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）用1 000W CO2激光器切割2 mm 低碳鋼時(shí)，用O2做輔助氣體，ab=1，切割速度50 mm/s 時(shí)，可得到最佳的切割品質(zhì)。

（2）實(shí)驗(yàn)證明，在激光切割過(guò)程中，激光功率、掃描速度、離焦量、吹氣量、板材厚度以及材料本身的特性等諸多因素，影響著切口的品質(zhì)。其中，最為顯著的是切割速度、輸出功率和板材的厚度。為保證產(chǎn)品的技術(shù)性，獲得良好的切割品質(zhì)，需要選擇合適的切割速度；同時(shí)為提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性，提高工效，降低成本，還需要在保證品質(zhì)的前提下，盡可能縮短切割時(shí)間。

（3）隨著激光切割工藝的完善，激光切割以逐步從試驗(yàn)轉(zhuǎn)化為工業(yè)化生產(chǎn)力，從一般的工業(yè)應(yīng)用向精細(xì)加工領(lǐng)域發(fā)展。

[1]陳武柱.激光焊接與切割質(zhì)量控制[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]張永強(qiáng).激光切割質(zhì)量同軸視覺(jué)檢測(cè)與控制研究[D].北京：清華大學(xué)機(jī)械工程系，2006.

[3]張永強(qiáng)，吳艷華，陳武柱，等. 激光切割質(zhì)量在線評(píng)價(jià)方法的研究[J].中國(guó)激光，2006，33（11）：1581-1584.

[4]閆 禾，等.高功率激光加工及其應(yīng)用[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1992.

[5]Miyamoto I，et al. The Mechanism of Laser Cutting[J]. Welding in the World，1991，29(9-10)：283-294.