淺論固體激光切割加工效果的影響因素

茍 剛 劉 勇

(西華大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，四川 成都 610039）

激光技術(shù)是自20 世紀60年代初問世后便發(fā)展迅猛的一門新興科學(xué)技術(shù)。在實際生產(chǎn)中，激光切割加工是激光行業(yè)應(yīng)用最為廣泛也是最重要的一項特種加工技術(shù)，占整個激光加工的70%左右。與傳統(tǒng)的切割方法相比，其具有許多優(yōu)點：（1）速度快，用1200W 激光功率切割2mm 厚的碳鋼板速度可達5～6m/min，切割5mm 厚的有機玻璃速度可達12m/min；（2）切割質(zhì)量好，切口寬度窄(一般為0.1～0.5mm）、切口表面粗糙度良好（一般Ra 為3.2～25um）；（3）效率高，激光切割無需刀具和模具，是非接觸加工；（4）柔韌好，結(jié)合CAD 技術(shù)，可以切割任意形狀、尺寸的板材[1]。激光切割過程相當復(fù)雜，J Fieret 先生曾總結(jié)了近50 種影響因素[2]。在眾多影響因素中，主要為切割速度、激光功率、焦距位置和輔助氣壓。本文綜述了國內(nèi)外激光切割的現(xiàn)狀，分析了各參數(shù)對切割質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 激光切割技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，激光切割技術(shù)在各個領(lǐng)域發(fā)展迅速，從2011年中國國際工業(yè)博覽會（CIIF2011)之金屬加工與數(shù)控機床展覽會上看出，激光加工機床在金屬和非金屬加工中占據(jù)了相當大的比重。其中在汽車工業(yè)中的應(yīng)用最具有代表性，從汽車頂棚的激光焊接、擋風板的激光切割、底板的激光拼焊以及車身覆蓋件三維輪廓的激光切割等。激光切割加工中沒有“刀具”的磨損，工件不受切割力的影響。相對傳統(tǒng)方法，激光切割的切割效率可以提高8～20 倍，更能夠節(jié)省15%～30%的材料。歐洲、美國、和日本等工業(yè)較發(fā)達國家的激光加工機和工業(yè)激光器的生產(chǎn)和銷售也在逐年遞增，應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛。在全球用于激光加工領(lǐng)域的工業(yè)激光器中有超過40 %的激光器是用來作切割的。相比而言，日本在激光加工工藝等方面的研究更是走在世界的前列，在車門制造過程中使鋼板切割、焊接和壓模成形一體化，而且取得了很大的進展[3]。

在激光切割工藝研究方面，主要集中對激光輸出功率、焦點位置、激光模式以及噴嘴形狀等問題的研究。早在20 世紀70～80年代，美國、日本以及德國等國家已經(jīng)在大量切割工藝試驗的基礎(chǔ)上，建立激光切割工藝數(shù)據(jù)庫，在90年代初期國外就相應(yīng)推出了一些高性能的激光切割系統(tǒng)[4]。

國內(nèi)激光切割機技術(shù)含量和質(zhì)量較高的制造商寥寥無幾，且大多停留在中低水平。目前主要集中在樣板的切割與覆蓋件的下科，在激光三維切割技術(shù)方面的研究與應(yīng)用才逐漸起步。國產(chǎn)激光切割機的激光器功率較低，最大僅能達到4000W，而國際上先進的激光器即德國通快公司制造的激光器最大功率已經(jīng)達到了20000W。同國外激光切割機相比表現(xiàn)為切縫寬，表面質(zhì)量、機械精度、整機的穩(wěn)定性、柔性較差。因此，繼續(xù)深入研究和開發(fā)較高質(zhì)量的國產(chǎn)激光切割機是一項非常重要和迫切的任務(wù)。

2 激光切割參數(shù)對切割質(zhì)量的影響

2.1 切割速度的影響

激光切割加工中，切割速度對切割材料的質(zhì)量有相當大的影響，理想中的切割速度會使切割面呈現(xiàn)比較平穩(wěn)的線條，且材料下部不會出現(xiàn)熔渣。當輔助氣體氣壓和激光功率一定時，切割速度與切縫寬度呈現(xiàn)出一種非線性的反比關(guān)系，當切割速度比較慢時，激光能量在切縫的作用時間延長，從而導(dǎo)致切縫寬度增大，當速度過慢時，激光束作用時間太長，工件的上切縫和下切縫相差就會很大，切割的質(zhì)量下降，生產(chǎn)效率也將大大降低。隨著切割速度的升高，激光束能量在工件上的作用時間變短，這樣便使得熱擴散和熱傳導(dǎo)效應(yīng)變小，從而切縫的寬度也相應(yīng)變小。當速度過快時，被切割的工件材料就會由于切割熱量輸入的不足出現(xiàn)切不透的情況，這種現(xiàn)象屬于不完全切割，并且熔化的材料不能及時被吹掉，這些熔融物將會使切縫重新焊接。

2.2 焦點位置的影響

焦點位置是激光焦點到工件表面的距離，它直接影響到切面粗糙度、切縫的坡度和寬度以及熔融殘渣的附著狀況。如果焦點位置太超前，這樣會使被切割的工件下端所吸收的熱量增多，在切割速度和輔助氣壓一定的情況下，會導(dǎo)致被切割的材料和切縫附近被融化的材料呈液態(tài)在下表面流動，冷卻后被熔化的材料則會呈球狀沾附在工件的下表面；若位置滯后，被切割的材料下端面所能吸收的熱量減小，這樣切縫中材料就不能完全融化，在板材下表面就會粘附一些尖銳而短小的殘渣。通常情況下，焦點位置應(yīng)在工件表面或稍微偏下一點，但不同的材料要求不一樣，切割碳鋼時，焦點在板材表面時切割質(zhì)量較好；而不銹鋼切割時，焦點應(yīng)在板材厚度的1/2 左右時效果更佳。

2.3 輔助氣壓的影響

激光切割加工中，輔助氣壓能吹掉切割時的熔渣并冷卻切割的熱影響區(qū)。輔助氣體包括氧氣、壓縮空氣、氮氣和惰性氣體等。對于部分金屬材料和非金屬材料，一般使用的是惰性氣體或壓縮空氣，能夠防止材料燃燒。如鋁合金材料的切割。對絕大多數(shù)金屬材料則使用活性氣體（如氧氣），這是由于氧氣能夠氧化金屬表面，提高切割效率。當輔助氣壓過高時，材料表面出現(xiàn)渦流，削弱去除熔融物的能力，導(dǎo)致切縫變寬，切割面粗糙；當氣壓過低時，不能完全吹走熔融物，材料下表面就會粘附沾渣。因此，切割時應(yīng)調(diào)節(jié)輔助氣體壓力，得到最佳的切割質(zhì)量。

2.4 激光功率的影響

激光功率的大小對切割速度、切縫寬度、切割厚度和切割質(zhì)量都有相當大的影響。所需功率的大小是根據(jù)材料的特性和切割的機理而定。比如導(dǎo)熱性能好和熔點高以及切割表面反射率高的材料需要較大的激光功率。一般在其它條件一定的情況下，激光切割加工中有一個獲得最佳切割質(zhì)量的激光功率，進一步降低或提高功率就會產(chǎn)生掛渣或過燒現(xiàn)象而導(dǎo)致加工質(zhì)量下降。

此外，隨著放電電壓的增加，激光的強度會因為輸入峰值功率的升高而提高，從而光斑的直徑增大，切縫的寬度相應(yīng)增大；隨著脈沖寬度的增加，激光的平均功率會提高，激光切縫的寬度加大；通常下，隨著脈沖頻率的增大，切縫也會變寬，當頻率超過一定值后，切縫寬度會出現(xiàn)減小的趨勢。

3 結(jié)語

在實際生產(chǎn)中，無論是什么樣的加工方法，最終的加工質(zhì)量都會受到各種因素的影響。影響激光切割加工質(zhì)量的因素也有多種，通過對這些因素的分析，能夠有效地控制和保證激光切割加工的質(zhì)量。對制造商而言，應(yīng)該考慮更多的影響因素，為制造領(lǐng)域提供更好性能的設(shè)備；對用戶來說，在使用設(shè)備加工時，應(yīng)根據(jù)零件加工的要求和材料的特性，通過理論參考和實驗的方法選擇出最佳的切割參數(shù)，以獲得更高的質(zhì)量和生產(chǎn)率。

［1］鄢挫，李力均，李娟等.激光切割板材表面質(zhì)量研究綜述[J].激光技術(shù)，2005，29(3)：270-274.

［2］J FIERET，M J TERRY，B A WARD.Aerody namic interactions during laser cutting[J].SPIE，1986，668：53-62.

［3］孫曉東，王松，趙凱華.激光切割技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].熱加工工藝，2012，41(9)：214-216.

［4］蘭天亮.三維激光切割鈑金件的夾具設(shè)計方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.