激光切割參數(shù)設(shè)置與質(zhì)量控制

劉赟

摘要：與傳統(tǒng)切割方法相比，激光切割等具有明顯的優(yōu)勢。在實際切割中，為滿足不同類型金屬板的加工需要，應(yīng)根據(jù)板材尺寸、加工精度和板材形狀特點(diǎn)，采用各種三維激光切割平臺進(jìn)行加工?？捎行ПＷC產(chǎn)品加工質(zhì)量，激光技術(shù)有更廣闊的應(yīng)用市場。

關(guān)鍵詞：熱成形；激光切割；參數(shù)設(shè)置

一、引言

與傳統(tǒng)切割方法相比，激光切割等具有明顯的優(yōu)勢。由于激光切割其高精度，窄縫效果明顯，激光切割采用非接觸技術(shù)加工。隨著制造業(yè)的發(fā)展，越來越需要激光切割的質(zhì)量。特別是在航空領(lǐng)域，當(dāng)對復(fù)雜的曲面鈑金零件進(jìn)行三維激光切割時，需要根據(jù)曲面曲率實時調(diào)整激光頭的姿態(tài)和工藝參數(shù)，以保證切割質(zhì)量。通過仿真系統(tǒng)，工作人員不僅可以直觀地掌握激光切割工藝，保證加工代碼的可靠性，還可以優(yōu)化一些切割工藝問題，保證切割質(zhì)量。在實際切割中，為滿足不同類型金屬板的加工需要，應(yīng)根據(jù)板材尺寸、加工精度和板材形狀特點(diǎn)，采用各種三維激光切割平臺進(jìn)行加工。目前激光切割仿真軟件的虛擬現(xiàn)場施工效率低，平臺切換復(fù)雜，學(xué)習(xí)成本高，缺少切割痕跡的實施，工藝處理模塊不完善。本文對如何做好激光切割參數(shù)設(shè)置與質(zhì)量控制進(jìn)行了分析。

二、激光技術(shù)概述

激光由原子激發(fā)發(fā)射和共振放大形成。在激光聚焦后，它照射在材料上并迅速增加材料溫度以熔化或蒸發(fā)。隨著激光和被切割材料的相對運(yùn)動，在切割材料上形成切口以達(dá)到切割的目的。激光雕刻是激光束穿過光導(dǎo)聚焦系統(tǒng)并射擊雕刻材料，在一定范圍內(nèi)移除材料，并保留未照射的材料。

三、激光切割的參數(shù)設(shè)置

激光切割參數(shù)包括切割速度、功率、氣割等內(nèi)容，激光切割分別對切割質(zhì)量和切割效率進(jìn)行分析，分析不同類型的影響，但通過激光切割組合實現(xiàn)最佳配置所需的各種參數(shù)，不同工廠將根據(jù)成本結(jié)構(gòu)在一定程度上對質(zhì)量和效率特別重視和權(quán)衡。

1.切割速度。激光切割激光頭可在單位時間內(nèi)沿著零件形狀移動。激光切割切割速度越高，切割時間越短，激光切割生產(chǎn)效率越高。但是，當(dāng)其他參數(shù)固定時，激光切割速度與切割質(zhì)量不成線性關(guān)系。合理的切割速度是一個范圍值，低于該范圍值，激光束的能量在零件表面上保持太多而形成過度燃燒，超過該范圍值，激光束的能量太晚而不能完全熔化零件材料，導(dǎo)致切割不可穿透。

2.激光輸出功率。激光輸出功率是激光系統(tǒng)的輸出能量，激光切割代表激光束在單位時間內(nèi)熔化材料的能力。

3.焦點(diǎn)位置。激光輸出最終通過特殊鏡頭聚焦在功率密度最高的點(diǎn)。焦斑直徑與聚焦透鏡的焦深成比例。激光切割重點(diǎn)是根據(jù)不同位置的不同厚度設(shè)定，正確的焦點(diǎn)位置，是獲得穩(wěn)定切削質(zhì)量的重要條件，激光切割切割質(zhì)量與激光束有關(guān)，但也與激光束聚焦系統(tǒng)的特性有關(guān)，即激光切割聚焦后激光束的大小對激光切割質(zhì)量有很大影響。

4.輔助氣體的氣壓。在縫隙形成切口。適當(dāng)?shù)臍鈮嚎梢詭椭涌旒す馇懈钏俣龋o助氣體壓力的大小對光纖激光切割機(jī)的切割效率也有影響。如果激光切割處理材料的厚度增加或切割速度慢，則應(yīng)適當(dāng)降低氣體壓力。采用較低的氣壓切割可防止結(jié)霜。

5.噴嘴距離。聚焦激光通過銅噴嘴施加到部件的表面。工件和激光噴嘴之間的距離稱為噴嘴的距離。從噴嘴到部件的距離是根據(jù)流量和壓力來測量的。太遠(yuǎn)的氣體吹氣力損失太大，廢氣流量過大，影響飛濺，適當(dāng)?shù)木嚯x在0.8-1.0mm。根據(jù)不同的材料厚度選擇不同型號的噴嘴。

系統(tǒng)功能主要包括虛擬加工場景三維可視化模塊，多平臺機(jī)床運(yùn)動學(xué)計算模塊，過程實施例和代碼輸出模塊。虛擬處理場景的三維可視化模塊包括虛擬處理場景構(gòu)建，運(yùn)動模型構(gòu)建，材料去除過程模擬等。多平臺機(jī)床運(yùn)動學(xué)計算模塊包括龍門五軸機(jī)床運(yùn)動學(xué)計算，垂直六軸機(jī)器人和倒立機(jī)器人運(yùn)動學(xué)計算，基于刀位點(diǎn)的P矩陣計算等。過程實施例和代碼輸出模塊包括過程缺陷顯示，碰撞檢測實現(xiàn)，過渡軌跡顯示等。激光切割場景中包括各種模型，因此它是有必要建立一個快速的方法來構(gòu)建虛擬環(huán)境。各種機(jī)床平臺的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動形式存在差異，點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動學(xué)計算，并將計算結(jié)果輸入運(yùn)動模型，實現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動仿真。通過實時切割痕跡反映切割質(zhì)量，需要模擬激光切割材料的去除過程。在仿真中，反映和處理過程現(xiàn)象，最終生成相應(yīng)平臺的可靠處理代碼。

四、影響激光切割質(zhì)量主要因素的分析試驗

根據(jù)影響激光切割質(zhì)量的因素分析，選擇厚度為1.0～3.0mm的熱成形件進(jìn)行激光切割試驗，選擇切割塊，切割孔或切削刃進(jìn)行分析。測試程序如下。

1.測試焦點(diǎn)位置并根據(jù)焦點(diǎn)的偏移進(jìn)行調(diào)整。聚焦位置逐漸從3mm調(diào)整到3mm，每次增加0.5mm進(jìn)行一次。記錄完成后比較切割質(zhì)量。在下一次測試中保留了具有最佳切割質(zhì)量的焦點(diǎn)位置。

2.調(diào)整激光切割的功率。在第一步中以最佳切割狀態(tài)在焦點(diǎn)位置進(jìn)行功率測試。功率從1000 W開始，每300 W切割一次。記錄并比較切割質(zhì)量。

3.改變切割氣體壓力。測試了第二步中具有最佳切割質(zhì)量的焦點(diǎn)和功率狀態(tài)。氣壓從7Pa開始，每次加入1Pa時比較切割質(zhì)量。保留具有最佳切割質(zhì)量的激光切割氣體壓力值用于下一次測試。

4.提高切割速度。測試了第三步中最佳切割質(zhì)量的焦點(diǎn)，功率狀態(tài)和切割氣體壓力值。切割速度從6000毫米/分鐘開始，并增加1000毫米/分鐘。記錄并比較切割質(zhì)量。

5.噴嘴距離的設(shè)定。測試了步驟4中具有最佳切割質(zhì)量的焦點(diǎn)，功率狀態(tài)，切割氣體壓力值和切割速度。噴嘴距離從0.6mm開始，每次增加0.2mm，直到噴嘴距離調(diào)整為1.2mm。每次記錄并比較切割狀態(tài)，最后得到最佳切割質(zhì)量的噴嘴距離值。

選擇案例1：2 mm厚度材料，調(diào)整焦點(diǎn)位置-3 mm，氮?dú)馇懈顗毫?2 Pa，噴嘴距離1 mm，切割功率3000 W，切割速度為12米/分鐘，因為各種參數(shù)調(diào)整好，切割條件好，通過各種測試，在參數(shù)調(diào)整到最合適的情況下，切割表面光滑。

五、結(jié)語

根據(jù)運(yùn)動形式和運(yùn)動特性，可以通過運(yùn)動配置建立機(jī)床運(yùn)動軸的運(yùn)動模型。同時，確保每個模型的相對位置，并使用OIV讀取WRL文件功能界面，實現(xiàn)虛擬處理場景的快速構(gòu)建。結(jié)合激光切割技術(shù)特點(diǎn)，對模型制作進(jìn)行了分析，可有效保證產(chǎn)品加工質(zhì)量，激光技術(shù)有更廣闊的應(yīng)用市場。

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（作者單位：江蘇核工業(yè)格林水處理有限責(zé)任公司）