中厚板激光切割技術(shù)應(yīng)用與研究

尤勝超 張 偉

（安徽合力股份有限公司，合肥230601）

激光加工技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用。對于工程機(jī)械制造行業(yè)來說，近年來，也加大了對激光切割設(shè)備的投入和使用。但在實際切割使用中，激光加工較多的應(yīng)用于5mm以下碳鋼板材切割，而對于6～16mm板材切割，多使用火焰切割或等離子切割技術(shù)。隨著激光加工技術(shù)發(fā)展以及激光切割在環(huán)保方面的優(yōu)勢，碳鋼中厚板也越來越傾向于使用激光技術(shù)進(jìn)行切割加工。本文結(jié)合熱切割原理以及實際應(yīng)用案例的綜合比較，闡述激光切割技術(shù)在中厚板切割中的應(yīng)用，為企業(yè)實際選用提供了良好的借鑒。

1 熱切割與激光加工原理

熱切割是指利用集中熱能使材料熔化或者燃燒并分離的方法。目前應(yīng)用最廣泛的三種熱切割方式有火焰切割、等離子弧切割和激光切割。

火焰切割。用可燃?xì)怏w和氧混合燃燒所產(chǎn)生的火焰來熔化金屬，并將其吹除而形成切口。可燃?xì)怏w一般用乙炔氣，也可用石油氣、天然氣或煤氣。

等離子弧切割。用等離子弧作為熱源，借助高速熱離子氣體(如氮、氬及氬氮、氬氫等混合氣體)熔化金屬，并將其吹除而成割縫。同樣條件下，等離子弧的切割速度大于氣割，且切割材料范圍也比氣割更廣。等離子弧切割包括，小電流等離子弧切割、大電流等離子弧切割和噴水等離子弧切割。

激光切割。利用激光束作為熱源進(jìn)行的切割，其溫度超過11000℃，足以使任何材料氣化。

圖1是三種熱切割原理的比較示圖。

圖1 熱切割原理比較

激光切割是通過應(yīng)用激光聚焦后產(chǎn)生的高功率密度能量來實現(xiàn)的。在計算機(jī)的控制下，通過脈沖使激光器放電，從而輸出受控的重復(fù)高頻率的脈沖激光，形成一定頻率、一定脈寬的光束。該脈沖激光束經(jīng)過光路傳導(dǎo)及反射，并通過聚焦透鏡組聚焦在加工物體的表面上，形成一個個細(xì)微的、高能量密度光斑。焦斑位于待加工面附近，以瞬間高溫熔化或氣化被加工材料。每一個高能量的激光脈沖，可以瞬間把物體表面濺射出一個細(xì)小的孔。在計算機(jī)控制下，激光加工頭與被加工材料按預(yù)先繪好的圖形進(jìn)行連續(xù)相對運動打點，從而把物體加工成想要的形狀。切割時，由切割頭噴出一股與光束同軸的氣流，將熔化或氣化的材料由切口的底部吹出（注：如果吹出的氣體和被切割材料產(chǎn)生熱效反應(yīng),則此反應(yīng)將提供切割所需的附加能源；氣流還有冷卻已切割面、減少熱影響區(qū)和保證聚焦鏡不受污染的作用）。

2 三種切割方式綜合比較（火焰、等離子、激光）

主要從切割板厚、切割精度、切割速度等方面進(jìn)行比較，分別如圖2、圖3和圖4所示。

從上述比較圖示可知，每種切割方式針對不同板厚、不同工藝條件，所體現(xiàn)的加工能力不同。比如，在切割50mm以上低碳鋼板時，等離子和激光切割由于受技術(shù)條件限制，正常情況下較難實現(xiàn)切割加工，但火焰切割可以實現(xiàn)。對多數(shù)工程機(jī)械行業(yè)來說，所用板材產(chǎn)量較大的仍主要以1～30mm低碳鋼板材為主，這個時候，等離子和激光切割就體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。表1是火焰、等離子和激光切割的簡要綜合比較，能直觀判斷優(yōu)劣勢。

圖2 可能切割的板厚比較

圖3 切割速度比較

圖4 切割精度比較

3 激光切割在中厚板加工中的優(yōu)勢

由于激光切割光斑小、能量密度集中、切割速度較快，所以在中厚低碳鋼板的加工中，體現(xiàn)出很多優(yōu)勢。

（1）激光切割產(chǎn)生的煙塵、熔渣、掛渣較少，特別是熔渣和掛渣幾乎沒有，容易清理。不需要后道工序去除毛刺和打磨作業(yè)，降低了勞動強(qiáng)度，減少了環(huán)境和噪音污染。

（2）切割時，板材產(chǎn)生的熱變形較小，部分板材可以不用再校正。

（3）由于切割縫隙較小，容易實現(xiàn)精細(xì)套料切割和共邊共縫切割，提升了材料利用率和生產(chǎn)效率。

（4）激光切割加工精度高，可以部分替代螺栓孔、槽孔的加工，從而減少工序、降低加工成本；

（5）結(jié)合自動化上下料，更容易實現(xiàn)智能化加工。

表1 切割方式的綜合比較

4 結(jié)束語

隨著《中國制造2025》和智能制造的推進(jìn)，激光切割加工技術(shù)在企業(yè)生產(chǎn)中將扮演越來越重要的角色。但氣割、等離子切割、激光切割等熱切割技術(shù)都在不斷更新發(fā)展，這幾種切割技術(shù)應(yīng)用的范圍和場景也在不斷變化，企業(yè)在實際選擇應(yīng)用時，可根據(jù)企業(yè)自身發(fā)展和生產(chǎn)工藝的需要來綜合考慮，根據(jù)不同的工藝對象選擇不同的切割方式，從而高效能實現(xiàn)在切割加工方面的生產(chǎn)運營。