不同材料激光切割加工的工藝研究

摘 要：目前，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中，很多零件需要進(jìn)行孔的加工，為了高效、準(zhǔn)確的加工出高質(zhì)量的孔，激光切割無(wú)疑是較好的加工方法，本文根據(jù)我公司研制產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要求開(kāi)展了針對(duì)航空產(chǎn)品加工孔時(shí)進(jìn)行不同材料的工藝研究，闡述了激光切割的基本原理，確定了不同金屬板材激光切割工藝試驗(yàn)方案，得出了工藝試驗(yàn)研究的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：材料；激光切割；工藝研究

1 激光是原子核外電子受激輻射經(jīng)光放大而形成的光輻射。它能有效地解決傳統(tǒng)加工方法無(wú)法解決的問(wèn)題，尤其是那些高硬度、高脆性材料的切割加工。

1.1 激光切割的過(guò)程

激光是利用經(jīng)過(guò)聚焦的高功率激光束（常用C02連續(xù)或YAG脈沖激光）照射被加工物體表面，并輔助同軸噴射具有一定壓力的氣體（可以是壓縮空氣、氧氣或惰性氣體如氮?dú)?、氬氣等），光束的能量以及活性輔助氣體與工件材質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱被材料吸收，使材料熔化甚至汽化，隨著光束與工件的相對(duì)移動(dòng)，最終在工件上形成切縫。

1.2 激光切割的特點(diǎn)

與線切割、慢走絲、電脈沖等切割方法相比，激光切割無(wú)磨損、零件不受外力，效率高，噪聲低，精度高，生產(chǎn)成本低，質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)；與電子束相比，激光加工不受電磁干擾。

目前所涉及激光切割加工的產(chǎn)品共30余種零件，涵蓋了靜子環(huán)、導(dǎo)向器、擴(kuò)壓器、燃燒室、風(fēng)扇機(jī)匣等產(chǎn)品；材料主要分為3類：不銹鋼、鈦合金、高溫合金；加工的結(jié)構(gòu)主要為切不同形狀的孔。

2 激光切割原理與試驗(yàn)

2.1 激光切割

激光對(duì)材料的切割實(shí)質(zhì)上就是對(duì)材料進(jìn)行破壞。激光束打到工件表面，工件表面就會(huì)吸收和反射激光，這種吸收和反射主要取決于工件的材料種類。工件表面吸收激光能量，使自身溫度上升，從而改變工件的結(jié)構(gòu)和性能，造成不可逆的破壞。

激光切割大致可分為汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制斷裂切割四類。本文涉及到的激光切割屬于熔化切割，就是利用一定功率密度的激光束加熱工件使之熔化，形成孔洞，同時(shí)依靠非氧化性輔助氣流把孔洞熔融材料吹除、帶走，形成割縫。

2.2 試驗(yàn)條件

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)使用的激光切割設(shè)備為德國(guó)DMG公司的LASERTEC 80FC。LASERTEC 80FC配備的激光器為L(zhǎng)asag 系列的FLS352N 激光發(fā)生器。

2.2.2 試片材料及規(guī)格

工藝試驗(yàn)是依據(jù)公司產(chǎn)品的材料、結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)進(jìn)行制作，材料主要為不銹鋼、鈦合金、高溫合金，每種的厚度都為（1，1.5，2，2.5，3，單位為mm）。

2.2.3 去離子水濃度

去離子水濃度要求2微西門(mén)子以下，最高不要超過(guò)5微西門(mén)子。

3 激光切割工藝試驗(yàn)方案

3.1 工藝試驗(yàn)問(wèn)題點(diǎn)

工件在切割前，要對(duì)工件的加工工藝點(diǎn)進(jìn)行分析，如工件的材料、厚度、切割路徑、尺寸精度、切割質(zhì)量因素影響（含氣體的種類、壓力、純度等）等。零件的輪廓精度主要靠數(shù)控系統(tǒng)來(lái)保證。

零件的尺寸精度主要取決于工作臺(tái)的機(jī)械精度和系統(tǒng)控制精度，而影響切割表面質(zhì)量的因素很多，如激光、聚焦透鏡、機(jī)械控制系統(tǒng)、材料、工藝參數(shù)等。

3.2 激光切割質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

切割質(zhì)量主要對(duì)切口表面形貌（波紋度、表面粗糙度）、切口的垂直度、背面掛渣量、尺寸精度等要素來(lái)評(píng)價(jià)。我公司產(chǎn)品切口表面質(zhì)量的檢驗(yàn)方法有兩種：一是目視檢查；二是重熔層檢查。

3.3 打孔點(diǎn)位置

激光切割要從一個(gè)起始點(diǎn)開(kāi)始切割，這個(gè)點(diǎn)被稱為打孔點(diǎn)，即指激光束開(kāi)始一次完整的輪廓切割之前在板上擊穿的一個(gè)很小的孔，又被稱為引弧孔或切割起始孔。對(duì)于一般精度較高的產(chǎn)品都將打孔點(diǎn)設(shè)置在板材廢料區(qū)以保證加工質(zhì)量，同時(shí)要插入必要的切割引入、引出線。

3.4 光束半徑補(bǔ)償

由于激光束存在發(fā)散現(xiàn)象，因此聚焦后不可能是一個(gè)幾何點(diǎn)而是一個(gè)具有一定直徑的光斑，精密切割時(shí)為滿足零件的尺寸要求必須對(duì)其進(jìn)行半徑的自動(dòng)補(bǔ)償，在實(shí)際的激光切割中，光斑直徑一般在0.1-0.2mm，自動(dòng)補(bǔ)償時(shí)激光束中心軌跡偏離理論輪廓一個(gè)光斑半徑，并對(duì)偏移后的中心軌跡進(jìn)行處理。激光束的半徑補(bǔ)償同其他刀具半徑補(bǔ)償一樣，在程序中置入所采用的加工刀具的半徑值。

3.5 激光功率

激光切割機(jī)在加工過(guò)程中存在最佳的功率范圍，當(dāng)功率較小時(shí)，光束的能量不足使金屬快速熔化，同時(shí)輔助氣體的壓力不能很快清除熔融金屬，使切割表面粗糙度增大；隨著激光功率的增大，開(kāi)始獲得較好的切口質(zhì)量；當(dāng)激光功率進(jìn)一步增大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)切割光斑中心處的能量密度增大，作用在材料單位面積上的激光能量增加，產(chǎn)生的熱量增加，板材的熔化量也隨著增大，但由于熔化物流動(dòng)性差，致使熔渣不能及時(shí)排出，而且輔助氣體的流量不能足以及時(shí)冷卻切口會(huì)使切口產(chǎn)生燒灼現(xiàn)象，出現(xiàn)不規(guī)則紋理，從而引起切口表面質(zhì)量的下降。

3.6 切割速度

切割用的激光束能量呈高斯分布，切割速度過(guò)高，激光與材料相互作用的時(shí)間短，作用于工件表面上起作用的有效的光斑面積減小，切口寬度相應(yīng)的減小，而光束的照射點(diǎn)向切口前沿靠近，切口前沿的熔化速度跟不上激光束的前移速度，切口出現(xiàn)后拖線，切口表面粗糙度增加和切口下部出現(xiàn)掛渣；切割速度過(guò)低，激光與材料相互作用的時(shí)間加長(zhǎng)，對(duì)材料起作用的有效光斑的面積增大，切口寬度自然隨之增大，而此時(shí)切割速度跟不上熔化速度，過(guò)剩的反應(yīng)熱使切口發(fā)生過(guò)度熔化，熱影響區(qū)隨之增大，從而形成較寬的、不整齊的切口。

3.7 輔助氣體種類、壓力

激光切割需用輔助氣體，對(duì)輔助氣體的基本要求是：進(jìn)入切口的氣流量要大，速度要高，主要涉及到輔助氣體的種類、壓力和純度。輔助氣體的主要作用有幾點(diǎn)：（1）充足的氣體將熔融材料噴射帶出；（2）冷卻作用；（3）有利于提高工件對(duì)激光的吸收率；（4）提高切割速度；（5）獲得更佳的切割質(zhì)量。保護(hù)氣體我們常用氮?dú)?、氬氣和氧氣，壓力?0-15Bar。

綜上所述，激光功率、切割速度、輔助氣體壓力等對(duì)切縫質(zhì)量均有較大影響，除此之外，光束直徑、散焦量等參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量均有一定程度的影響，在試驗(yàn)中使用的設(shè)備為L(zhǎng)ASERTEC 80FC，激光功率通過(guò)調(diào)節(jié)脈寬、頻率、電壓進(jìn)行控制。進(jìn)給速度、輔助氣體壓力在數(shù)控程序中自行設(shè)定。

4 激光切割試驗(yàn)及結(jié)果

本試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行展開(kāi)，分別對(duì)不銹鋼試片、高溫合金試片和鈦合金試片進(jìn)行了激光切割試驗(yàn)。

將工藝試驗(yàn)中確定的工藝參數(shù)及數(shù)控程序用于加工相同材料及厚度的正式產(chǎn)品，可得到相同的表面質(zhì)量和尺寸精度，所以在加工正式產(chǎn)品前一般都先對(duì)相同材料及厚度的試片進(jìn)行試切，以降低廢品率和生產(chǎn)成本。

5 結(jié)論

本文針對(duì)不銹鋼、鈦合金、高溫合金板材進(jìn)行激光切割試驗(yàn)研究，通過(guò)試驗(yàn)得出如下主要結(jié)論：

5.1 脈寬、頻率、電壓、激光功率、切割速度、保護(hù)氣體壓力等工藝參數(shù)的確定只與零件材料及厚度有關(guān)，與切縫形狀及大小無(wú)關(guān)。

5.2 在加工每批正式產(chǎn)品前，先對(duì)相同材料及厚度的試片進(jìn)行試切，切割質(zhì)量穩(wěn)定后，固化加工參數(shù)和數(shù)控程序。

在今后的工作中，繼續(xù)在航空產(chǎn)品中，開(kāi)展不同材料、不同厚度的激光切割試驗(yàn)，建立激光切割工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)；開(kāi)展激光三維切割及打孔工藝技術(shù)研究。

總之，在產(chǎn)品研制過(guò)程中，激光加工工藝技術(shù)在某些方面將逐步替代，而且一定會(huì)起到越來(lái)越關(guān)鍵的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]張永康.激光加工技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]LASERTEC 80FC激光切割機(jī)培訓(xùn)教程.DMG公司培訓(xùn)教材.2008.