淺析光纖激光切割中提高激光噴嘴的使用壽命的橋位工藝

劉正陽

（湖南科技職業(yè)學(xué)院，湖南 長沙410118）

激光切割機(jī)的發(fā)展日新月異，在薄板切割中，光纖激光切割機(jī)憑借著無耗材、速度快、加工效果精致等特點(diǎn)在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用不斷普及，激光頭的使用和維護(hù)成為用戶接觸頻率較高的組件之一，激光噴嘴是激光頭最前沿的激光加工利器[1]。在激光切割過程中，在傳感器的保護(hù)下，理論上噴嘴垂直方向不可能撞到鐵板，走刀中與被切割鐵板保持一定的間隙，但實(shí)際中，噴嘴在高溫光束及高速氧氣或空氣通過的情況下，時常與鋼板接觸甚至碰撞，噴嘴孔經(jīng)常要停機(jī)維護(hù)更換，降低生產(chǎn)效率及加大激光噴嘴的損耗。本文結(jié)合切割機(jī)床特點(diǎn)，從切割排版的橋位工藝入手，降低板材與噴嘴的碰撞率，從而加大噴嘴及激光頭組件的使用壽命，減少維護(hù)及更新零配件的成本。

1 激光噴嘴失效分析

激光噴嘴一般為紫銅或銅合金精車而成，此為單層噴嘴；噴嘴前端面鍍上一層鉻，為雙層噴嘴，噴嘴孔徑有φ1.0～3.0 mm，設(shè)5°倒錐孔等。很顯然這種噴嘴散熱性強(qiáng)，不易粘熔渣，制造方便。但噴嘴制造工藝及機(jī)電性能的缺點(diǎn)，容易發(fā)生以下失效形式：

（1）噴嘴前面熔蝕，孔徑變大或變形

銅合金材質(zhì)偏軟，熔點(diǎn)低，噴嘴面易被碰擦變形，非鍍鉻噴嘴面易接觸熔渣熔蝕，倘若熔蝕點(diǎn)發(fā)生在孔徑內(nèi)圈邊緣，形成積屑瘤（高速氣流無法吹出），從而影響激光束的方向和能量，影響割縫精度及縫面質(zhì)量[2]。積屑瘤形成變大后，在高溫及高速氣流的沖擊下脫落，孔徑邊緣部分少部分材料隨之脫落，時間長了，孔徑變大或者變形，影響激光束的聚焦調(diào)整。

（2）噴嘴孔變形，熔渣顆粒損壞內(nèi)部鏡片

切割加工中，激光頭在垂直方向上受到碰撞后，有傳感器識別保護(hù)停機(jī)；但水平方向碰到翹起來的鋼板，受力重，傳感器感應(yīng)而停機(jī)，噴嘴底端孔變形，激光頭偏斜，激光束偏擺，無法繼續(xù)切割；受力輕，傳感器不足以感應(yīng)停機(jī)，則噴嘴孔在鋼板緊密接觸下，完全“浸”在熔渣中，高速氣流吹起熔渣四濺，這時細(xì)微熔渣顆粒或者汽化金屬倒灌進(jìn)入激光頭內(nèi)部，形成金屬粉塵，遮擋、損壞內(nèi)部鏡片薄膜，影響激光束通過，降低切割質(zhì)量。用戶經(jīng)常要停機(jī)對激光頭進(jìn)行拆卸清洗除塵或者更換零部件，調(diào)整激光束焦距等，大大降低了耗材的使用壽命及增加了維護(hù)保養(yǎng)成本。

2 切割排版橋位工藝

光纖激光切割機(jī)機(jī)床托料平臺都是鋸齒狀的，鋸齒尖點(diǎn)排列間距離約（60×30）mm，進(jìn)行激光切割加工時，板料被鋸齒狀的支撐條托住，這樣在切割時就不會傷到托料臺了。

在切割過程中，鋼板的厚薄、材質(zhì)的軟硬、鋼板的平整度以及應(yīng)力變形都會影響切割的質(zhì)量，就切割鋼板時為避免發(fā)生翹曲而采用的橋位工藝歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）切割零件輪廓大小

如果被切割下來的零件不夠小，不能從支撐條的縫隙中落下，或者如果又不夠大，不能被支撐條托住，則可能失去平衡翹起，如圖1—A工位所示。而此時高速運(yùn)動的切割頭可能與之發(fā)生碰撞，輕則停機(jī)，重則損壞切割頭，造成不可修復(fù)的損傷。如上所述激光噴嘴失效分析。

如果被切割下來的零件比較小，切割后直接從支撐條之間的空隙落下，如圖1—B工位所示。盡管這種零件沒有碰到激光噴嘴，但零件掉到機(jī)床下面的廢料收集箱，后期的清理工作比較麻煩。

如果被切割下來的零件比較大，切割后直接擱置支撐條上面，如圖1—C工位所示。

圖1 切割零件狀態(tài)圖

上述三種不同大小的零件在切割完后，零件及廢料搭邊需一起從支撐條上移出，這時候散落的零件需要人工逐個拿出或者從支撐條之間的空隙掉落，大大增加了人工成本和時間成本。

為了避免發(fā)生這種問題，于是采用了利用橋位（微連）的切割工藝。如圖2所示，在對圖形進(jìn)行激光切割編程時，有意將封閉的輪廓，斷開若干處，使得切割完成后零件與周圍的材料粘連在一起，不致掉落，這些斷開處，就是橋位。也稱為斷點(diǎn)或微連。一般相同零件的橋位位置盡量統(tǒng)一，避免零件毛刺多樣化和影響切割編程效率。

圖2 橋位工藝圖

橋位處斷開的距離，約0.2～0.5 mm，與板料的厚度成反比?；趦?nèi)輪廓（廢料），與母材斷開了，叫斷點(diǎn)；基于外輪廓（零件），與母材相粘連，叫微連。橋位將零件與周圍材料連在一起，成熟的編程軟件，可根據(jù)輪廓的長度，自動加上合適數(shù)量的橋位。還能區(qū)分內(nèi)外輪廓，決定是否加橋位，使不留橋位的內(nèi)輪廓（廢料）掉落，而留橋位的外輪廓（零件）與母材粘連在一起，不掉落，從而免去分揀的工作。如圖3所示。

圖3 廢料與零件的橋位工藝圖

（2）切割板材應(yīng)力

光纖激光切割一般加工Q235及不銹鋼板材，鋼板厚度0.5～20 mm，切割工作時，金屬材料在激光束的聚焦下，迅速加熱汽化，進(jìn)而蒸發(fā)形成空洞，激光束移動，不斷形成的孔洞形成連續(xù)寬度很窄的切縫[2]，切縫一般只有0.1～0.5 mm，鋼材局部升溫快，熱量被傳導(dǎo)得少，特別小于0.5 mm的不銹鋼，往往在切割的零件或者搭邊的窄小處發(fā)生應(yīng)力集中翹曲，嚴(yán)重時翹曲部分板材堵住激光噴嘴或者被激光噴嘴撞擊，導(dǎo)致鋼板走位或者激光噴嘴損壞，如圖4所示。成熟的編程軟件，可根據(jù)輪廓的長度，按數(shù)量或者按間隔距離進(jìn)行微連設(shè)置。微連的地方實(shí)際切割時不開光（激光頭運(yùn)動），可以確保整個圖形加工完成不掉落或翹曲。

圖4 切割板材翹曲示意圖

為了避免發(fā)生這種問題，于是采用了利用橋位（微連）的切割工藝，如圖5所示。成熟的編程軟件，可根據(jù)輪廓的長度，按數(shù)量或者按間隔距離進(jìn)行微連。微連的地方實(shí)際切割時不開光，可以確保整個零件加工完成不掉落，零件或者搭邊翹曲變形小。當(dāng)然優(yōu)秀的激光加工技術(shù)員可以根據(jù)實(shí)際出發(fā)，人工設(shè)置微連的地方，盡可能地減小零件和搭邊的翹曲變形量，從而保護(hù)激光切割頭零部件。

圖5 平衡橋位防翹曲示意圖

3 結(jié)束語

本文以設(shè)置橋位工藝的鈑金激光切割排版為切入點(diǎn)，初淺的分析了激光噴嘴與鋼板或零件碰撞的原因，通過在零件排位時，設(shè)置橋位工藝連接，減少了零件翹起或者鋼板翹曲的情況發(fā)生，降低其激光噴嘴碰撞的幾率，提高噴嘴及激光頭組件的使用壽命，減少維護(hù)及更新零配件的成本。另一方面，鋼板的材質(zhì)及厚度，加工設(shè)備的傳動機(jī)構(gòu)、托料平臺等，都會綜合影響鋼板的翹起。因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，要統(tǒng)籌兼顧各個影響因素，揚(yáng)長避短，才能高效、高品質(zhì)、低成本的完成各項(xiàng)工作，提高市場競爭力。

[1]王 雷.激光切割不銹鋼工藝淺析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（4）：105-106.

[2]楊蘇慶.激光切割板材的關(guān)鍵技術(shù)[J].機(jī)械制造與研究，2007，36（6）：68-70.