激光切割的影響因素

供稿|李召華，張保元，王春凈 / LI Zhao-hua, ZHANG Bao-yuan, WANG Chun-jing

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和傳統(tǒng)的切割方式相比，激光切割技術(shù)具有切割速度高、切割精度高、加工柔性好的特點(diǎn)，在板材切割加工中的應(yīng)用越來越廣泛。激光切割的過程復(fù)雜，影響因素多，如激光功率、焦點(diǎn)位置、噴嘴直徑及高度等，如果控制不當(dāng)，很容易出現(xiàn)明顯毛刺、燒蝕、切割面粗糙等質(zhì)量問題，無法滿足實(shí)際加工需求。要防止或者減少激光切割質(zhì)量問題的出現(xiàn)：在切割前，要根據(jù)板材的材質(zhì)和厚度來設(shè)置相關(guān)工藝參數(shù)；在切割中，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，分析并找出導(dǎo)致質(zhì)量問題的因素，調(diào)整相關(guān)工藝參數(shù)，來改善加工質(zhì)量。

激光切割是用經(jīng)過聚焦的高功率密度激光束照射材料，光束輸入的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被材料反射、傳導(dǎo)或者擴(kuò)散的部分，這種熱量使被照射處的材料快速的熔化、汽化，與此同時，與光束同軸的高速氣流從切割頭噴出，將熔化或者汽化的材料從切口的底部吹出，隨著切割頭和被切材料的相對運(yùn)動，生成切口，從而實(shí)現(xiàn)切割材料的一種熱切割方法。

切割方法有很多種，如氧氣切割、氧-乙炔切割、鋸割等，和這些切割方法相比，激光切割技術(shù)具有切割速度高、切割精度高、加工柔性好等特點(diǎn)，因此，在航空航天、汽車輪船、機(jī)械制造、家用電器制造等各個領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

然而激光切割過程復(fù)雜，影響因素多，如果控制不當(dāng)，無法滿足實(shí)際加工需求。影響激光切割的因素有很多，是影響激光加工性能的各主要因素。加工質(zhì)量的提高，離不開對這些要素的優(yōu)化。

激光功率的影響

激光功率是直接影響加工材料熔融能力的參數(shù)。通過加大激光功率能夠使切割的速度更快，能夠切割更厚的工件，能夠切割鋁合金等高反材料(即具有高反射率的材料)。

在切割過程中，切割功率選擇的是否合適，可以根據(jù)切割之后切割面的狀態(tài)判斷。功率大于最佳值時，切縫周圍的熱影響區(qū)會變大，尖角部分會出現(xiàn)被熔掉的現(xiàn)象。另外，切割面上拖曳線的間距也會變大，且從上部到下部呈直線狀。功率小于最佳值時，切割面的下部粗糙度會明顯變差，掛渣又多且硬，去除很困難。

功率為最佳值時，切割面上拖曳線的間距會非常小，下部相對于加工的行進(jìn)方向?qū)⑸猿蕼鬆顟B(tài)，對切縫周圍的熱影響也為最小，尖角部被熔掉的現(xiàn)象也比較少。

切割功率選擇的是否合適，可以根據(jù)切割過程中火花的濺射狀況判斷。在切割過程中，從加工材料的下部濺射出的火花的狀態(tài)直接受切縫內(nèi)熔融金屬的流動狀況影響。如果功率合適，從加工材料下方濺射出的火花是直線、稍滯后、纖細(xì)等形貌；功率設(shè)定不當(dāng)時，在切割過程中從材料的下部濺射出的火花將表現(xiàn)為擴(kuò)散、與切割行進(jìn)方向呈反向滯后、變粗等形貌。

焦點(diǎn)位置的影響

相對于加工材料的表面而言，激光束聚焦后，焦點(diǎn)所在位置稱為焦點(diǎn)位置。焦點(diǎn)位置對切縫的寬度、坡度、切割面的粗糙度、熔渣的黏著狀態(tài)、切割速度等幾乎所有的加工參數(shù)都會產(chǎn)生影響。這是因?yàn)殡S著焦點(diǎn)位置的變化，照射在加工材料表面的光束直徑和射入加工材料的入射角產(chǎn)生變化，這會影響到切縫的形成狀態(tài)及切縫內(nèi)光束的多重反射狀態(tài)。這些切割現(xiàn)象又會對切縫內(nèi)的輔助氣體、熔融金屬的流動狀態(tài)產(chǎn)生影響。

把焦點(diǎn)在加工材料表面上的狀態(tài)設(shè)為Z=0，此時，可以在加工材料表面得到最大的能量密度，熔融范圍比較窄，可進(jìn)行高精度加工。不論焦點(diǎn)位置是向上移還是向下移，上部的切縫寬度都會變寬。這一變化在使用不同焦距的加工透鏡時也存在同樣傾向。焦點(diǎn)位置處的光束直徑越小以及短焦距透鏡焦點(diǎn)深度越小，則上部切縫隨焦點(diǎn)位置的變化而變化的幅度就會越大。

噴嘴直徑及高度的影響

噴嘴的直徑?jīng)Q定著熔化、燃燒的可限制范圍，以及噴射于加工部位的輔助氣體流量。噴嘴孔的直徑大小必滿足光束順暢通過的要求。噴嘴直徑過小，光束會被噴嘴口截射，導(dǎo)致切割速度慢，還會導(dǎo)致粗糙的切削表面；噴嘴直徑過大，會使切縫過寬。

噴嘴高度是指被加工板材表面和噴嘴口之間的距離。噴嘴高度過高時，容易造成能量損失，從而出現(xiàn)切不透的現(xiàn)象。而噴嘴高度過低時，會影響切割時濺射物質(zhì)的驅(qū)散能力，也可能使板材變形或者造成切割頭損傷。比如，在噴嘴高度較低的情況下切割圓孔時，產(chǎn)生的膨脹物和噴嘴接觸，使圓孔變形，造成加工缺陷，故需要注意。因此，在切割加工時，要設(shè)置合理的噴嘴高度，一般設(shè)置噴嘴高度為1～2 mm。在板材表面不是很平整的情況下，不同部位的加工高度略有不同，依靠激光設(shè)備自帶的隨動系統(tǒng)，可以小幅度自行調(diào)節(jié)噴嘴高度。

輔助氣體類型及壓力的影響

材料切割時，都要采用輔助氣體。選擇什么樣的輔助氣體以及氣壓的高低對激光切割效率和質(zhì)量有很大影響。

輔助氣體通常可采用氧氣、氮?dú)狻⒍栊詺怏w或壓縮空氣等，氣體的種類將影響到加工質(zhì)量與加工能力。

在以氧氣為輔助氣體的金屬切割中，氧氣起著對加工材料燃燒的助燃，以及把熔融金屬從狹窄的切縫內(nèi)高效排出的作用。在碳鋼材料的厚板切割中，主要利用氧氣燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱能進(jìn)行切割，能使切割過程加速，提高了切割能力，但是其缺點(diǎn)是因?yàn)榍懈蠲娈a(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成一層氧化膜。

在用氮?dú)饣蚩諝鉃檩o助氣體的金屬切割中，輔助氣體的作用就是把因激光束照射而熔化的金屬從切縫的上部推向下部，進(jìn)而從加工部的背面排出，防止在背面掛渣。

氣體類型不同，切割的效果和速度不同。一般來說，氧氣的切割速度最快，氮?dú)獾那懈钚Ч詈?，空氣的切割成本最低?/p>

當(dāng)被加工零件的材質(zhì)、板厚不同時，所需要輔助氣體的壓力條件也不同。切割鋁材時，利用空氣作為輔助氣體，氣壓越高，沾渣就越少。使用氮?dú)鉃檩o助氣體的不銹鋼，無氧化，切割也有相同的傾向，氣壓越高，沾渣就越少。碳鋼厚板切割中使用氧氣為輔助氣體，壓力偏低時，沾渣量就增加，壓力偏高時，就會出現(xiàn)燒損。用氧氣為輔助氣體切割不銹鋼時，因?yàn)楦间撓啾?，氧化的熔融狀態(tài)的金屬的黏性更高，使用的氣壓也比碳鋼切割時的氣壓更高?？傊?，無論對哪種材料切割加工，一般情況下，氣壓越高，切割速度會越快，而當(dāng)氣壓達(dá)到某個值的時候，氣體會對激光作用區(qū)產(chǎn)生干擾作用，切割速度反而會變慢。

與加工材料相關(guān)的要素

板材的材質(zhì)和厚度會影響到激光能量的消耗。材料的表面狀況會影響到激光束吸收的穩(wěn)定性，而加工形狀又會影響到熱量的擴(kuò)散。

材質(zhì)：材料不同，性能不同，對激光束的吸收率也不同。因此，不同的材料具有不同的激光切割適應(yīng)性。在激光切割加工的時候會看到光斑在工件上快速移動，光斑越小說明切割的質(zhì)量越好。例如，銅、鋁等具有高反射率的材料就不利于光斑的形成，對切割機(jī)的要求更高。

厚度：隨著板材厚度的增加，所需要的激光功率越來越大，而需要的切割速度越來越低。對厚板加工時，如果功率不夠，切割速度過快，就不容易切透。

表面狀態(tài)：同種材質(zhì)，表面狀態(tài)不同，對光束的吸收也不同，特別是表面粗糙度和表面氧化層都會影響表面吸收率。一般來說，材料表面越平整，切割的質(zhì)量越好。在激光切割過程中，要想提高材料的切割性能，可通過改變材料表面狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。

結(jié)束語

影響激光切割的因素有很多，如激光功率、焦點(diǎn)位置、噴嘴直徑及高度等，如果控制不當(dāng)，很容易出現(xiàn)明顯毛刺、燒蝕、切割面粗糙等質(zhì)量問題，要防止或者減少這些質(zhì)量問題的出現(xiàn)，在切割前，要根據(jù)板材的材質(zhì)和厚度來設(shè)置相關(guān)工藝參數(shù)，在切割中，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，分析并找出導(dǎo)致質(zhì)量問題的因素，調(diào)整相關(guān)工藝參數(shù)，來改善加工質(zhì)量。