激光切割系統(tǒng)性能對(duì)切割質(zhì)量的影響研究*

葉 暢 季進(jìn)軍 劉利宏 尹昭輝

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，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)備中的比例達(dá)70%以上。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和新工藝的應(yīng)用，對(duì)切割質(zhì)量的要求越來(lái)越高，這對(duì)切割工藝規(guī)范的選取提出了更高的要求。激光切割質(zhì)量受到激光切割系統(tǒng)性能和激光切割參數(shù)等多方面的影響，其中激光切割系統(tǒng)性能是購(gòu)置激光器和建立激光切割系統(tǒng)之初必須考慮的問(wèn)題，其參數(shù)設(shè)置對(duì)切割質(zhì)量的影響不容忽視，而目前在國(guó)內(nèi)關(guān)于激光切割系統(tǒng)性能對(duì)切割質(zhì)量影響研究十分有限，因此為了獲得更好的切割效果，全面系統(tǒng)地研究激光切割系統(tǒng)參數(shù)中各個(gè)項(xiàng)目，如光束模式、偏光性、噴嘴和氣流等參數(shù)選擇就顯得尤為重要［1］。

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

1.1 評(píng)價(jià)切割質(zhì)量的主要指標(biāo)

1.1.1 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。

(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(chēng)為掛渣，如圖2所示。

1.1.2 可量化切割質(zhì)量指標(biāo)

(1)切割面粗糙度 是反映切割質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，用Rz表示。

(2)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。

表1 不同光模切割產(chǎn)生切割面粗糙度數(shù)據(jù)記錄

(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。

1.2 切割面粗糙度的評(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:上部切割面平整光滑，切割條紋整齊、細(xì)密，粗糙度值小;下部切割條紋紊亂，表面不平整，粗糙度值大，如圖4所示。由此可見(jiàn)，靠近下緣位置是切割面粗糙度值最大位置，是切割面質(zhì)量的薄弱環(huán)節(jié)。因此在評(píng)價(jià)切割面質(zhì)量時(shí)應(yīng)以下緣表面為基準(zhǔn)，目前國(guó)內(nèi)多采用距下緣1/3處的粗糙度為基準(zhǔn)。

2 影響切割質(zhì)量的主要因素分析

影響激光切割質(zhì)量的主要因素大致可分為兩類(lèi):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系統(tǒng)性能對(duì)切割質(zhì)量的影響。

2.1 光束模式對(duì)切割質(zhì)量的影響分析

分別采用TEM00、TEM01兩種光模切割不同厚度板材，產(chǎn)生切口面粗糙度如表1所示。

分析表格1得出結(jié)論:為了獲得較好的切割質(zhì)量和較高的切割效率，最好選擇TEM00模激光，至少不應(yīng)高于TEM01模激光。

2.2 光束的偏振性對(duì)切割質(zhì)量的影響分析

采用線偏振光進(jìn)行切割，切割方向相對(duì)于光束的偏振方向發(fā)生變化，切割前沿對(duì)激光的吸收比就發(fā)生變化，從而影響到激光切割效果，如表2所示。

分析表2得出結(jié)論:采用圓偏振光進(jìn)行切割，切口最為均勻和整齊。

2.3 噴嘴和氣流對(duì)切割質(zhì)量的影響分析

(1)噴嘴孔徑對(duì)切割質(zhì)量的影響分析

在一定的輔助氣體壓力下，有一個(gè)最佳的孔徑范圍，孔徑過(guò)小或過(guò)大都會(huì)影響輔助氣體對(duì)切縫內(nèi)熔融產(chǎn)物的清除，從而影響切割速度。實(shí)驗(yàn)選取1 500 W激光功率，在不同孔徑尺寸下對(duì)2 mm厚的低碳鋼、硬質(zhì)合金進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，對(duì)切割速度進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

另外孔徑還會(huì)影響切縫的寬度和熱影響區(qū)，如圖5所示，隨著孔徑的增大，切縫變寬而熱影響區(qū)變窄。

分析表3及圖5得出結(jié)論:在一定的氣體壓力下，對(duì)2 mm厚低碳鋼板或硬質(zhì)合金鋼板，孔徑為1.5 mm左右時(shí)，可獲得最大切割速度和較好的切割質(zhì)量。

表3 切割速度與噴嘴孔徑關(guān)系實(shí)驗(yàn)記錄1

(2)噴嘴氣體壓力對(duì)切割質(zhì)量的影響分析

分別選用1 500 W、1 700 W兩種功率及2 mm、3 mm兩種板厚材料，在不同氧氣壓力下對(duì)切割速度影響進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6～7所示。

由圖6～7得出結(jié)論:增加氣體壓力可以提高切割速度，但到達(dá)一個(gè)最大值后，繼續(xù)增加壓力反而會(huì)引起切割速度下降;其中用1 500 W激光功率切2 mm板厚，氧氣在0.07～0.10 MPa獲得最大切割速度。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)用1 500 W二氧化碳激光器切割2 mm厚低碳鋼時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)選用TEM00模圓偏振光、1.5 mm錐形噴嘴孔徑、0.09 MPa氧氣壓力可得到最佳的切割質(zhì)量和最大的切割速度。

(2)實(shí)驗(yàn)證明，在激光切割過(guò)程中激光功率、激光切割系統(tǒng)性能對(duì)切割質(zhì)量影響也很大，其中光束模式、光束偏振性、噴嘴和氣流都對(duì)切割質(zhì)量有一定影響。為保證產(chǎn)品的技術(shù)性，獲得良好的切割質(zhì)量，需要選擇合適的切割系統(tǒng)參數(shù);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，激光切割已逐步從試驗(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］閆毓禾，鐘敏霖.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，1994.

［5］Mukherjee K，Mazumder J.Laser in metallurgy［M］.Chicago:Metallurgical Society of AIME，1981.