淺析激光切割技術(shù)的應(yīng)用

暢雪蘋(píng) 王丹丹 王謙

摘 要：隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，很多傳統(tǒng)機(jī)械加工方式被激光切割所取代。通過(guò)激光切割中氧助熔化切割碳鋼的工藝流程，文章分析了氧助熔化切割碳鋼時(shí)影響其切割性能的因素，以及切割時(shí)相比較其他傳統(tǒng)加工方式的優(yōu)越性?？梢钥闯?，激光切割具有切割速度快，成本低，切割產(chǎn)品質(zhì)量良好，自動(dòng)化程度高，切割材料種類多等優(yōu)勢(shì)，在各工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

關(guān)鍵詞：激光技術(shù);氧助熔化切割;切割性能;效率;成本;質(zhì)量;自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TB492? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）17-127-03

Application of Laser Cutting Technology

Chang Xueping， Wang Dandan， Wang Qian

（ Shaanxi Wanfang Auto Parts Co.， Ltd.， Shaanxi Xi'an 710299 ）

Abstract： With the development of modern industry， many traditional machining methods have been replaced by laser cutting. Through the process flow of cutting carbon steel with oxygen-assisted melting in laser cutting， the factors affecting the cutting performance of cutting carbon steel with oxygen-assisted melting are analyzed， and the advantages of cutting are compared with other traditional processing methods. It can be seen that laser cutting has the advantages of fast cutting speed， low cost， good quality of cutting products， high degree of automation， a variety of cutting materials， and other advantages， widely used in various industrial fields.

Keywords： Laser technology; Oxygen-assisted fusion cutting; Cutting performance; Efficiency; Cost; Quality; Automation

CLC NO.： TB492? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-127-03

前言

激光切割技術(shù)現(xiàn)在被各個(gè)國(guó)家各個(gè)行業(yè)所應(yīng)用，尤其工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，激光切割技術(shù)已成熟，中國(guó)相對(duì)而言起步較晚。本文主要針對(duì)激光切割原理和分類，以及切割碳鋼時(shí)的工藝流程加以簡(jiǎn)單闡述，突出了激光切割優(yōu)點(diǎn)，以及取代傳統(tǒng)機(jī)械加工的必要性。

1 激光切割原理

1.1 機(jī)理

激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射材料表面，使照射處的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)割開(kāi)材料的一種熱切割方法。其切割過(guò)程示意圖如圖1所示，切割過(guò)程發(fā)生在切口的終端處一個(gè)垂直的表面，稱之為燒蝕前沿。激光和氣流在該處進(jìn)入切口，激光能量一部分被燒蝕前沿吸收，另一部分通過(guò)切口或經(jīng)過(guò)燒蝕前沿向切口空間反射。由于激光經(jīng)過(guò)高度集中在很小的區(qū)域內(nèi)，則能產(chǎn)生大量熱量迅速融化材料且熱量很難散發(fā)到材料的其他部分，形成變形很小的切口，從而激光切割實(shí)現(xiàn)了切割速度快質(zhì)量高的加工技術(shù)，也是激光技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中的主要應(yīng)用和加工方法。

1.2 分類

光切割大致可分為汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制斷裂切割，其中氧助熔化切割應(yīng)用最廣。氧助熔化切割是利用激光將工件加熱至其燃點(diǎn)，利用氧氣或其他助燃?xì)怏w使材料燃燒，由于熱基質(zhì)的點(diǎn)燃，除激光能量外的另一熱源同時(shí)產(chǎn)生，同時(shí)作為切割熱源。

2 切割碳鋼材料工藝分析

2.1 切割性能

碳鋼可良好地進(jìn)行氧助熔化激光切割，切縫窄，板厚最小可至0.1mm上下，其熱影響區(qū)，特別對(duì)低碳鋼幾乎可不予考慮。碳鋼切縫光滑、清潔和平整，垂直度好。低碳鋼內(nèi)磷、硫偏析區(qū)的存在會(huì)引起切邊的溶蝕。所以，含雜質(zhì)的優(yōu)質(zhì)鋼的切邊質(zhì)量?jī)?yōu)于熱軋鋼。稍高的含碳量可略為改善碳鋼的切邊質(zhì)量，但其熱影響區(qū)有所擴(kuò)大。影響低碳鋼切割性能的因素包括板厚、激光功率、切割速度和工件與光束焦點(diǎn)的間距。當(dāng)板厚在1.6-6.0mm范圍，光束焦點(diǎn)剛位于工件表面以及氧氣壓力恒定保持在140kPa的條件下，根據(jù)激光功率和切割速度變化，觀察低碳切割質(zhì)量，圖2為激光切割低碳鋼板時(shí)切割參數(shù)間的關(guān)系。可見(jiàn)，隨著功率密度的提高，切割速度和可切割板厚度均可增加。如所切割的板厚增加，則應(yīng)采用較大直徑的噴嘴和較低的氧氣壓力，以防止燒壞切口邊緣。

采用CO2激光切割低碳鋼板的最大切割厚度可用下面近似估算：激光功率在100-1500W范圍內(nèi)，激光功率的瓦數(shù)除以100，即為最大切割厚度的毫米數(shù)。圖3為低碳鋼的上限切速和激光功率在板厚不大于6mm范圍內(nèi)的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。按此實(shí)驗(yàn)值可推出經(jīng)驗(yàn)公式：

（1）

其中：

v-上限切割速度（m/min）

t -板厚（mm）

P-激光功率（kW）

利用上述公式可根據(jù)激光功率對(duì)6mm以內(nèi)低碳鋼粗略地估計(jì)精細(xì)切割的切割速度。

2.2 切割流程

由于激光切割柔性程度高，與其他傳統(tǒng)加工方式相比較，靈活性和適應(yīng)性好，可加工各種軌跡，上下料次數(shù)少，如圖4所示油泵支架切割，只需上料一次不需要轉(zhuǎn)序，激光切割可沿序號(hào)1、2、3、4、5等五個(gè)封閉軌跡依次通過(guò)工件相對(duì)切割噴嘴旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)完成切割，而傳統(tǒng)機(jī)加工作業(yè)需經(jīng)過(guò)多次銑削工序和打孔工序，多次轉(zhuǎn)序、多次上下料才能完成。

2.3 切割特點(diǎn)

首先，激光切割成本低?？梢宰詣?dòng)排樣、套料，材料被充分利用，浪費(fèi)減少，原材料利用率高。切割時(shí)工件無(wú)需工裝夾具裝夾，只需設(shè)備自帶卡盤(pán)固定即可，減少工裝夾具等費(fèi)用的投入。激光切割屬于無(wú)接觸加工，無(wú)切削力無(wú)刀具磨損，不需要更換刀具，無(wú)模具損耗。其次，激光切割質(zhì)量良好。由于切割速度高、激光光斑小、能量密度大，因此切割后工件的質(zhì)量較好，切口細(xì)窄，切割零件的精度較高可達(dá)±0.05mm，無(wú)毛刺等。切割表面粗糙度只有幾十微米表面光滑整潔無(wú)需打磨可作為最后一道工序。激光切割后熱影響區(qū)寬度窄小，對(duì)切縫區(qū)材料性能影響較小，零部件切后變形小。最后，激光切割自動(dòng)化程度高以及材料應(yīng)用廣。激光切割機(jī)一般配有數(shù)控工作臺(tái)，整個(gè)切割過(guò)程可全部實(shí)現(xiàn)數(shù)控，操作時(shí)只需將三維數(shù)模轉(zhuǎn)化成程序，程序輸入設(shè)備后便可實(shí)現(xiàn)切割，變化是只需變更數(shù)控工作臺(tái)中的程序，因此勞動(dòng)強(qiáng)度低、操作容易。激光切割材料范圍較廣，除了金屬材料以外，還可加工皮革、木材、纖維及一些復(fù)合材料，適應(yīng)性和靈活性較高，各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛。

然而，激光切割也存在一些缺陷。首先，光束始終垂直工件表面形成垂直切口，所以對(duì)于圓弧面圓管和鋼板切割時(shí)由于有壁厚的存在導(dǎo)致切口內(nèi)外參差不齊狀態(tài)。由于受激光器功率和設(shè)備體積的限制，激光切割只能切中、小厚度的板材和管材，而且隨著工件厚度的增加，切割速度明顯下降。其次，激光設(shè)備體積較大，價(jià)格昂貴，占有空間面積大，投入使用時(shí)費(fèi)用高。

3 結(jié)束語(yǔ)

鑒于以上激光切割工藝流程分析，此種加工方式優(yōu)越性顯著，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用市場(chǎng)廣闊。在機(jī)械制造行業(yè)中已經(jīng)逐步取代了一部分銑、車(chē)、鉗、鏜等機(jī)械加工工藝;在航空航天領(lǐng)域，激光切割技術(shù)主要用于特種航空材料的切割;在非金屬材料領(lǐng)域激光切割也被廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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