激光切割在鋼結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用

李 燕，包慧慧

（浙江品臻建設(shè)有限公司，浙江臺(tái)州 318020）

0 引言

激光切割是當(dāng)前制造業(yè)當(dāng)中技術(shù)最先進(jìn)的切割方法，主要通過(guò)高效率和高精度的特點(diǎn)，在制造行業(yè)當(dāng)中已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用，解決了制造業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中許多傳統(tǒng)設(shè)備無(wú)法解決的難題，在工業(yè)生產(chǎn)與企業(yè)發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了不取代的作用。在加工行業(yè)當(dāng)中來(lái)選擇激光切割技術(shù)，高精度、高智能化的激發(fā)切割技術(shù)發(fā)展，可以有效縮短工件的制造時(shí)間，有效的提高了在工業(yè)制造上的質(zhì)量，給企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，促使企業(yè)擁有更好的發(fā)展前景。

1 激光切割概念

激光切割的技術(shù)主要是通過(guò)，激光光束來(lái)照射到鋼板的表面，通過(guò)散發(fā)的能量來(lái)使得不銹鋼融化達(dá)到切割的目的。以其速度快和質(zhì)量高的切割特點(diǎn)，并且在激光切割完成之后的表面通常呈現(xiàn)切口狹窄，且表面比較光潔的狀態(tài)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到切割工藝當(dāng)中。激光切割作為一種精密的切割方法，幾乎可以對(duì)所有材料來(lái)進(jìn)行切割，包括一些鋼結(jié)構(gòu)的二維或三維切割等。其切割路徑的優(yōu)化主要涉及零件的切割順序以及打孔選擇等一些局部處理方式。激光切割在鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)中的應(yīng)用，主要是對(duì)一些機(jī)車(chē)或者機(jī)體輔助裝置的部件來(lái)進(jìn)行切割，在切割的過(guò)程當(dāng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器的控制自動(dòng)化，同時(shí)也能夠降低成本，為產(chǎn)品帶來(lái)更高的效益。除此之外，通過(guò)在鋼結(jié)構(gòu)切割中進(jìn)行合理的切割路徑選擇，可以對(duì)刀具的空行程進(jìn)行有效控制，打孔點(diǎn)更加合理，有效避免了空洞造成的翹起碰撞問(wèn)題，已經(jīng)取代原先的沖壓加工和機(jī)器加工的方法，有效提高了切割效率，在公司當(dāng)中使用一套完善的數(shù)控切割方法，可以給公司當(dāng)中研發(fā)新構(gòu)件帶來(lái)穩(wěn)定的保障。

2 激光切割質(zhì)量的影響因素及評(píng)價(jià)指標(biāo)

激光切割是一個(gè)熱物理過(guò)程，復(fù)雜激光與材料相互作用的過(guò)程中涉及許多因素，其中，激光參數(shù)以及切割速度、被加材料特性是最主要的三個(gè)方面。在實(shí)際操作過(guò)程中，隨著激光設(shè)備的選擇而產(chǎn)生的光束物性也將對(duì)切割質(zhì)量產(chǎn)生影響。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外與激光切割的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行閱讀與總結(jié)后可以得出，切縫寬度以及切割面的傾斜角等評(píng)價(jià)激光切面質(zhì)量的主要指標(biāo)，如圖1所示。如切縫寬度，受到光束模式與聚焦后的光斑直徑直接影響，在進(jìn)行碳鋼薄板切割時(shí)，光斑直徑與切縫寬度基本上處于相等的情況，如切割面的傾斜角，如圖1 所示，是由于在切割過(guò)程中出現(xiàn)的上下縫之間縫寬不同造成的傾斜度，也是對(duì)激光切割質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。

圖1 激光切割質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

3 激光切割在鋼構(gòu)造當(dāng)中的實(shí)際應(yīng)用

在激光切割鋼構(gòu)件當(dāng)中，主要是通過(guò)高功率的聚焦激光束給鋼構(gòu)件進(jìn)行照射，在相當(dāng)短的時(shí)間當(dāng)中，就可以將鋼構(gòu)件加熱到上萬(wàn)的攝氏度，使得在照射處的鋼構(gòu)件能夠快速的進(jìn)行熔化，并蒸發(fā)到空氣當(dāng)中，然后再借用高速氣流的設(shè)備，將切縫中的熔化物質(zhì)進(jìn)行吹除，對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行切割的目的，在進(jìn)行激光對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行切割時(shí)，要選擇好激光切割的工藝參數(shù)，并結(jié)合具體鋼構(gòu)件的零件來(lái)進(jìn)行設(shè)定，以使得激光能夠更精確地對(duì)鋼構(gòu)進(jìn)行切割。

3.1 激光功率的選擇

在激光切割的過(guò)程當(dāng)中，激光功率對(duì)鋼構(gòu)件的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生比較大的影響，激光功率較小，切割的鋼材厚度也較小，反之，激光功率越大，所切的鋼材厚度也可以越厚。在切割相同板厚的鋼材時(shí)，由于鋼材的實(shí)際構(gòu)成材料不同，所采取的激光功率也不同，并且由于激光功率的變大，在鋼構(gòu)件當(dāng)中的縫隙也會(huì)變大，主要根據(jù)以下方面來(lái)進(jìn)行參考，在切割3mm 的鋼板時(shí)，可以采取2800W 的激光功率；在切割3mm 的不銹鋼板時(shí)，用3000W 的激光功率；在切割3mm 的鋁板時(shí)，采取1500W 的激光功率；針對(duì)非常厚的鋼材，例如40mm 的碳鋼或者不銹鋼時(shí)，可以采用12000W 的激光功率。并且在激光切割當(dāng)中的激光功率的增加，也會(huì)使得切割速度變快，若鋼構(gòu)件十分厚，就要采用較低的氧氣壓力和大直徑的激光噴嘴，以避免燒壞鋼構(gòu)件當(dāng)中的切口邊緣。

3.2 切割速度的設(shè)定

光切構(gòu)的過(guò)程當(dāng)中，切割速度的快慢也是影響構(gòu)件質(zhì)量的重要原因之一，在激光功率相同時(shí)，不一樣的切割速度，對(duì)于工件的質(zhì)量和在剛構(gòu)件后面的熔化物質(zhì)也不一樣。在切割速度較慢時(shí)，構(gòu)件的照射激光時(shí)間也較長(zhǎng)，氧氣提供也比較足，進(jìn)而使得鋼件發(fā)生嚴(yán)重的氧化反應(yīng)，并且由于切割溫度較高，時(shí)間較長(zhǎng)，在構(gòu)建當(dāng)中的縫隙也較大，熔物也較多；切割速度越快，工件的質(zhì)量也越好，切縫也比較整齊，并且熔物也較少。但是激光切割速度過(guò)快，在鋼構(gòu)件切割當(dāng)中，來(lái)不及氧化就已經(jīng)冷卻，容易在鋼構(gòu)件當(dāng)中形成掛渣。在進(jìn)行切割時(shí)，切割功率主要影響鋼構(gòu)件的切縫寬度，切割速度起次要作用，所以在具體進(jìn)行切割鋼構(gòu)件時(shí)，要選擇適宜的切割速度，具體如下，在切割3mm 的鋼板時(shí)，要采用3.2m/min 的切割速度；在切割3mm 的不銹鋼板時(shí)，采用3m/min 的切割速度；在切割10mm 的鋼板時(shí)，要采用1.2m/min 的速度來(lái)進(jìn)行切割；在切割40mm 的碳鋼時(shí)，可以采用0.65m/min的速度來(lái)進(jìn)行切割。選用合適的激光功率和速度，可以將鋼件的質(zhì)量得到最大的保證。

3.3 輔助氣體的種類和壓力的設(shè)定

在設(shè)定好相應(yīng)的激光功率和激光速度之后，要選擇合適的輔助性氣體來(lái)，來(lái)吹走在切割過(guò)程當(dāng)中的熔物，來(lái)保證鋼構(gòu)件切割面的整潔干凈，同時(shí)也能夠使得切割效率變高和切割深度變深。同時(shí)也保護(hù)到切割的機(jī)器，因?yàn)樵谇懈畹倪^(guò)程當(dāng)中很容易受到熔物飛濺帶來(lái)的損壞。切割過(guò)程當(dāng)中采用不一樣的輔助氣體，對(duì)于鋼構(gòu)件的形成質(zhì)量也會(huì)有一定的影響，因此，對(duì)于輔助性氣體的選擇也非常重要，具體的選擇方式如下，氧氣一般比較適合在切割碳鋼材時(shí)進(jìn)行使用，氮?dú)庖话阍谇懈畈讳P鋼鋼材時(shí)比較適合。在采用氧氣作為輔助性氣體時(shí)，在激光切割當(dāng)中的功率和速度一定時(shí)，氧氣的壓力越大，氧化反應(yīng)在鋼材當(dāng)中的現(xiàn)象也會(huì)越強(qiáng)烈，形成的鋼構(gòu)件質(zhì)量也越低；氧氣的壓力越低，則可能會(huì)出現(xiàn)鋼板切不透的現(xiàn)象，但是在已切割的鋼構(gòu)件當(dāng)中質(zhì)量較好。一方面，在具體切割鋼材的過(guò)程當(dāng)中要考慮到實(shí)際的成本，只要在切割過(guò)程當(dāng)中的鋼構(gòu)件表面不影響產(chǎn)品的正常使用，那么就可以使用氧氣來(lái)作為輔助性的氣體。另一方面，在用氧氣作為輔助性氣體，切割一些不銹鋼的鋼材時(shí)，由于不銹鋼鋼材當(dāng)中合金元素含量較大，在切割時(shí)熔物的黏度也比較大，若選擇氧氣切割的方法，容易在不銹鋼的表面形成粘渣的情況，從而引起產(chǎn)品上的質(zhì)量問(wèn)題。所以，在切割不銹鋼鋼件時(shí)，可以采用氮?dú)獾姆绞?，?duì)不銹鋼的表面進(jìn)行無(wú)氧化的保護(hù)作用，可以切割出質(zhì)量較好的不銹鋼鋼材，也滿足了對(duì)于不銹鋼鋼材斷面整潔干凈的要求。用氮?dú)庾鳛榍懈畹妮o助性氣體一般比較適合質(zhì)量要求較高的不銹鋼零件。

3.4 切割過(guò)程總體設(shè)定

在選擇完切割的功率速度和輔助性氣體時(shí)，要對(duì)切割工藝進(jìn)行全面的調(diào)整，首先在焦點(diǎn)位置的調(diào)整上，焦點(diǎn)位置可以直接影響到切割點(diǎn)的具體形成面積，在一定的功率速度下，焦點(diǎn)面積越大，在鋼材集中點(diǎn)面積上的功率也就越小，從而發(fā)生鋼材切割不透的現(xiàn)象，另外，如果焦點(diǎn)沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)好位置，則很容易使得切割出的鋼材達(dá)不到理想的效果，所以在激光的焦點(diǎn)一般在鋼材的表面往下1/3 處左右。其次是要調(diào)整合適的噴嘴高度，噴嘴的高度越大，就會(huì)使得噴出的輔助性氣體不穩(wěn)定，進(jìn)而影響到切割的效率與質(zhì)量，因此，在選擇噴嘴高度時(shí)，一般選擇較小的噴嘴高度。最后，要注意鋼材的表面情況，如果鋼材表面不是很平整有斷點(diǎn)的情況，那么就很容易會(huì)影響到切割完成之后的質(zhì)量，所以在鋼材進(jìn)行切割之前，要對(duì)鋼材表面進(jìn)行打磨，打磨之后再使用激光來(lái)進(jìn)行切割。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，激光切割在鋼構(gòu)件的切割當(dāng)中已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用，在激光切割的過(guò)程中，只有將激光的功率、速度、輔助性氣體以及其他工藝參數(shù)調(diào)整好，才能發(fā)揮出激光切割的總體優(yōu)勢(shì)，獲得穩(wěn)定質(zhì)量的鋼材。所以，這就需要工作人員在進(jìn)行切割時(shí)，要嚴(yán)格把控好激光切割的參數(shù)，以此來(lái)保證切割產(chǎn)品的質(zhì)量。