激光切割鋁合金工藝研究

崔可可 洪抗

摘 要 鋁合金因其優(yōu)良的力學(xué)、化學(xué)、物理性能，廣泛應(yīng)用于高、精、尖技術(shù)領(lǐng)域。提高鋁合金的切割率，將大大提高加工鋁合金的工作效率。傳統(tǒng)的切割鋁合金的方法為等離子切割，缺點是切割表面精度不高，往往需要二次加工如打磨或機加工[1]，這樣增加了加工工序和成本，隨著激光切割機的問世，激光切割鋁合金加工效率高、自動化水平高、高柔性等優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)加工鋁合金的缺點，而得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 激光切割；鋁合金；加工工序

1 激光切割發(fā)展

激光切割是指：利用高功率密度激光束，照射被切割材料，使材料很快被加熱至汽化溫度，蒸發(fā)形成孔洞，隨著光束對材料的移動，孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫，完成對材料的切割。激光切割從20世紀(jì)初逐漸出現(xiàn)在人們的視野，1905年愛因斯坦首次提出光量子假說，開啟激光的觀念探討；1917年愛因斯坦又提出受激輻射理論，加速了激光理論的成熟。我國激光技術(shù)從20世紀(jì)80年代逐漸發(fā)展起來，由于起步晚與歐美發(fā)達國家之間有一定的差距，當(dāng)今世界激光切割應(yīng)用廣泛的領(lǐng)域有航空航天、海洋探索、交通工具、化工、冶煉等。激光切割工藝開始晚但是其發(fā)展速度很快，已成為當(dāng)今世界切割鈑金工藝中不可或缺的工藝。

2 激光切割分類

按切割物理性質(zhì)不同激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制四類。下表1為各加工工藝性能對比表。

3 激光切割鋁合金工藝

鋁合金是當(dāng)今生產(chǎn)生活中應(yīng)用除鐵之外最多的金屬，因其密度?。ㄙ|(zhì)量輕），強度高（可與鋼媲美），韌性好，導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性好而廣泛應(yīng)用于高精尖的零件中，采用激光切割技術(shù)對鋁合金進行切割是目前國家發(fā)展比較成熟的技術(shù)，由于切割速度高、切縫窄，熱輻射區(qū)小，柔性高等優(yōu)點，且加工表面質(zhì)量高，切割效率高，應(yīng)用于各種加工領(lǐng)域。激光切割斷面雖然質(zhì)量較高，但是切割面仍然會出現(xiàn)微裂紋、掛渣等缺陷，現(xiàn)從以下幾點對切割工藝進行分析：

（1）偏焦情況 對金屬進行切屑時，激光焦點位置的選定會影響切口的粗糙度以及掛渣情況。焦點位置的選定需要考慮以下因素：輔助氣體和鋁合金本身的反射率。輔助氣體吹除碎屑的能力強，氣流大，功率高則吹除能力大，斷面及熱效應(yīng)區(qū)粗糙度高。鋁合金表面反射率高，焦點位置應(yīng)選定在材料內(nèi)部，避免激光光束反射，從而造成能量損失。因此激光切割時，先在距加工輪廓一定距離的地方穿孔，以此為加工起點進行切割，可以有效減少激光能力損失，提高加工精度。

（2）輔助氣體、氣壓的影響 輔助氣體有氮氣、氧氣、空氣、氬氣等。①輔助氣體采用氮氣可以有效防止氧氣與鋁生成氧化鋁的情況，從而能夠保證切口的精度。主要適用的板材有不銹鋼，電鍍鋼板，黃銅，鋁，鋁合金等。② 輔助氣體采用氧氣，雖然與鋁反應(yīng)生成氧化物薄膜，但是氧化物可以提高材料吸收光率。主要適用壓延鋼材，溶接構(gòu)造用壓延鋼材，機械構(gòu)造用碳鋼，高張力版，工具板，不銹鋼，電鍍鋼板，銅，銅合金等。③輔助氣體采用空氣，因為空氣取材方面可以降低成本，空氣中含有氧氣，生成氧化物能提高材料的吸收光率，但是效率不及氧氣。主要適用的材料有鋁，鋁合金，不銹鋼，黃銅，電鍍鋼板，非金屬等。 ④輔助氣體采用氬氣，因氬氣為惰性氣體，不與金屬反應(yīng)，所以加工精度高，但是氬氣制取困難，所以成本較高。主要適用的材料是鈦，鈦合金等。

（3）切割速度的影響 切割速度的高低對斷面精度有很大的影響，速度高能夠提高斷面精度，且切割的斷口會隨著切割速度的升高逐漸變窄，最后趨于穩(wěn)定。但是速度過高，會由于切割熱量不能及時的補充，切割碎屑由于溫度低而黏度大，輔助氣體不能及時地將碎屑吹走而黏在斷面附近，導(dǎo)致精度下降。速度過低，切割熱量輸入過多，將工件灼傷，甚至廢品率升高。

（4）激光輸出功率的影響 在切割速度和輔助氣體壓力分別為1400mm/min和0.6Mpa下，功率的增大使得切割斷面粗糙度升高，斷口掛渣嚴(yán)重，切縫逐漸變窄。功率緩慢增大到2100W時，粗糙度最低，功率為3000W時，粗糙度最大。功率在2500W～3000W時，粗糙度線性升高，切縫寬度最小且趨于穩(wěn)定，掛渣量線性增大。

（5）激光的影響 激光切割時對激光種類的選擇尤其重要，鋁合金反射率強，因此激光波長不同，鋁合金吸收光束能量不同。波長越短，合金吸收率越高；波長越長，合金反射率越大， 吸收率越低。目前用得最多的是波長為10.6m的激光，因其吸收率好，且能保證較高的 加工質(zhì)量而廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工中。

（6）其他影響切割表面質(zhì)量的因素：影響光束的因素，材料的物理性質(zhì)，噴嘴的形狀，外部光路，工件的夾持等。

4 結(jié)束語

在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)中對鋁合金的廣泛應(yīng)用，使得研究人員對鋁合金的研究越來越深入，本論文主要從工藝加工方面分析激光加工對鋁合金斷面的影響，可作為后續(xù)研究工作的參考，但所述并不完備，還需更加努力學(xué)習(xí)以及與同行共同研究、探討。

參考文獻

[1] 武偉超，王永軍，張新娟，等.2A12鋁合金激光切割熱影響區(qū)及其影響分析[J].航空制造技術(shù)，2010，（09）：91-93，97.