淺析激光切割工藝參數(shù)優(yōu)化

李鑫

◆摘 ?要：激光切割工藝參數(shù)的選擇和確定是激光加工工藝的重點(diǎn)，如果工藝參數(shù)選擇不好，嚴(yán)重的影響到激光切割技術(shù)的推廣，本文就對如何優(yōu)化激光切割工藝參數(shù)的方法進(jìn)行了介紹。

◆關(guān)鍵詞：激光切割;參數(shù)工藝;優(yōu)化;選擇;切割質(zhì)量

激光切割是利用高能量高密度的激光束來對金屬材料進(jìn)行照射，達(dá)到材料被瞬間加熱以至于融化蒸發(fā)的溫度，借助高壓輔助氣體進(jìn)行切縫，由于激光切割具有效率高、質(zhì)量好、適應(yīng)性強(qiáng)的特征，已經(jīng)被多個領(lǐng)域所利用，廣泛的在制造業(yè)中使用。我們發(fā)現(xiàn)雖然激光切割具有優(yōu)勢，但是在實(shí)際操作過程中會出現(xiàn)變形、過燒、掛渣等現(xiàn)象，嚴(yán)重的影響了產(chǎn)品的質(zhì)量，因此對激光切割參數(shù)的優(yōu)化成為提升產(chǎn)品質(zhì)量的必要途徑。

一、影響激光切割質(zhì)量的因素

一般來說影響激光切割質(zhì)量的工藝參數(shù)有激光的運(yùn)行功率和切割速度、離焦量、輔助氣體壓力、光束質(zhì)量、噴嘴類型等。為了提高切割質(zhì)量我們需要對影響切割質(zhì)量的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并找到不同材質(zhì)下的最優(yōu)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1.激光功率。當(dāng)激光功率比較小的時候，激光束能量不能致使材料在短時間內(nèi)熔化，輔助氣體壓力不足也難讓材料及時的清除，造成了切割面不平滑。但是如果采用過高的激光束，巨大的能量致使切割材料表面溫度上升，擴(kuò)散率也增加，導(dǎo)致熱影響區(qū)域擴(kuò)大材料變形，切縫變寬。因此在選擇激光光束功率時一定要控制在合理的范圍，保證獲得較好切口的質(zhì)量的切縫。

2.切割速度。激光切割時速度的變化對切縫寬度有直接影響，切縫寬度隨激光速度的減小而增大。在一定的板厚和切割功率下，有一個最佳的切割速度范圍，在這個切割范圍內(nèi)時，切縫寬度小且穩(wěn)定，切割質(zhì)量高。若切割速度過慢則容易造成材料過熔，切縫變寬。若切割速度過快會導(dǎo)致鋼板無法切透。

3.離焦量。激光切割時，離焦量的變化對切縫寬度有直接影響。離焦量Z=0時切縫寬度最小，不論焦點(diǎn)位置是向上移還是向下移，切縫寬度都會變寬。在一定的板厚和切割功率下，有一個最佳的離焦量范圍，在此離焦量范圍內(nèi)時，切縫寬度小且穩(wěn)定，切割質(zhì)量高。

4.氣體壓力。在確定輔助氣體類型的前提下，輔助氣體的壓力大小是一個極為重要的因素，主要影響切割速度和熔渣量。不同的材料，得到良好的切割質(zhì)量所需要的輔助氣體壓力也不同。同一材料不同厚度的最佳輔助氣體壓力也不同。在切割過程中，輔助氣體的作用是，吹掉切割區(qū)熔渣，在提高加工能力的同時，保證良好的加工質(zhì)量。另外，也可以冷卻切縫鄰近區(qū)域，減少熱影響區(qū)，防止燃燒物損壞透鏡。適當(dāng)增大氣體壓力，由于氣流動量增大，可提高排渣能力，可使無粘渣的切割速度增加;若輔助氣體壓力過高，會在工件表面形成渦流，削弱氣流去除熔融材料的能力，造成切割面較粗糙，切縫較寬;若輔助氣體壓力過低，則吹不走切口處的熔融材料，在被切割材料背面產(chǎn)生熔渣。因此，輔助氣體壓力存在一個最佳值。

激光切割質(zhì)量的優(yōu)劣是指切割尺寸精度高低和切割表面質(zhì)量的好壞，切割表面質(zhì)量在實(shí)驗(yàn)中采用以下四個指標(biāo)進(jìn)行衡量：材料是否切斷;熱影響區(qū)的寬度;是否存在燒蝕現(xiàn)象;（切口斷面的波紋及切口表面粗糙度;切口斷面或下表面有無掛渣。

二、激光切割工藝參數(shù)優(yōu)化方法

激光功率、切割速度、輔助氣體氣壓和離焦量等則存在一個可切割參數(shù)的調(diào)節(jié)范同。而這些未定參數(shù)并不是孤立的，它們相互之間以及和已知參數(shù)都是緊密關(guān)聯(lián)的。如激光功率與切割速度相互影響和制約共同控制對加工材料的能量輸入，而功率還必須以材料的成分及尺寸為出發(fā)點(diǎn);離焦量則與焦距密切相關(guān)，不單能調(diào)節(jié)焦點(diǎn)的位置還能調(diào)整光斑大小。因此在實(shí)驗(yàn)選取功率、速度、氣壓及離焦量作為正交實(shí)驗(yàn)分析的主要參數(shù)。每個參數(shù)選取三個水平（i=1、2、3）;激光功率p/=11300、1200、1500;切割速度K=4、4.5、5;氣體壓力P/=0.15、0.18/0.2;離焦量Si=-1、0、1。然后進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)法測試，正交設(shè)計(jì)通過巧妙地安排試驗(yàn)，大大降低了試驗(yàn)次數(shù)，在這過程中將使用正交表這一有效的工具。正交表是一套現(xiàn)成的試驗(yàn)方案，它根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，使用合理的水平互相匹配進(jìn)行試驗(yàn)，這套方案的總試驗(yàn)次數(shù)是遠(yuǎn)小于每種情況都考慮后的試驗(yàn)次數(shù)的。這些有代表性的點(diǎn)具備了均勻分散，齊整可比的特點(diǎn)，從而能夠確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

1mm厚0235板材在試驗(yàn)條件下，主要參數(shù)選擇以下水平，即激光功率1500W，切割速度4m/min，氣壓1.8pa，離焦量1mm，能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的優(yōu)化，獲得較好的切割效果;利用正交實(shí)驗(yàn)法對激光切割的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，能夠在較少工作量的前提下達(dá)到好的選參效果，該方法有效的改善了激光切割過程中選參難的問題，是生產(chǎn)過程中優(yōu)化工藝參數(shù)、實(shí)現(xiàn)激光切割質(zhì)量控制的可靠保證。

三、結(jié)語

文章介紹的是一種影響激光切割質(zhì)量的主要參數(shù)優(yōu)化的方法，也是一種適用性很強(qiáng)的方法。在實(shí)際的激光切割中，影響激光切割質(zhì)量的參數(shù)還有很多，目前也都各自找到了解決方法，只是難易程度不同而已。隨著激光產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，需要在不斷提高激光切割技術(shù)的同時，加強(qiáng)實(shí)踐應(yīng)用，積累工作經(jīng)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)激光切割加工技術(shù)的不斷進(jìn)步。

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