鈑金加工中的激光切割機(jī)應(yīng)用研究

林樂(lè)鋒

（松下冷機(jī)系統(tǒng)（大連）有限公司，遼寧 大連 116600）

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，工業(yè)對(duì)技術(shù)的要求也逐漸增高，而對(duì)于切割技術(shù)來(lái)說(shuō)，相關(guān)資料顯示，激光切割正視鈑金加工中切割技術(shù)工藝的重中之重，占比會(huì)超過(guò)70%，可見(jiàn)在鈑金加工中的應(yīng)用廣泛程度。激光切割技術(shù)作為激光加工工藝中，較為重要的一項(xiàng)，其優(yōu)勢(shì)早已被相關(guān)企業(yè)所認(rèn)同，彰顯巨大的技術(shù)價(jià)值，從業(yè)者應(yīng)當(dāng)正確認(rèn)識(shí)當(dāng)前社會(huì)背景下，激光切割技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，拓寬技術(shù)的應(yīng)用空間，進(jìn)一步發(fā)掘激光切割技術(shù)潛能[1]。

1 激光及激光切割機(jī)概念淺談

1.1 激光概念分析

激光切割機(jī)的主要工作原理，是借助激光光束切割材料，因此在分析激光切割機(jī)之前，首先需要針對(duì)性分析激光。激光在光物理性質(zhì)上屬于相干光的一種，相較于普通光束，在單色性能方面，相干光光束具有優(yōu)良性能和較大能量密度，并且具備較好的導(dǎo)向性能與高亮度，整體性能較好，用途相對(duì)廣泛，在各行各業(yè)都有機(jī)會(huì)大顯身手。無(wú)論是醫(yī)學(xué)中的激光治療方案，還是醫(yī)美行業(yè)的激光祛斑，或是工業(yè)生產(chǎn)的激光切割、打孔等等，都可以看出激光的廣泛用途。文章主要強(qiáng)調(diào)對(duì)激光切割機(jī)的工作原理進(jìn)行探討，強(qiáng)調(diào)研究激光的熱量與密度[2]。

1.2 激光切割機(jī)工作原理

鈑金加工中，激光切割機(jī)主要工作原理為，利用激光光束在鈑金材料表面集中，當(dāng)發(fā)出激光之后就會(huì)促成光能向熱能轉(zhuǎn)化，光束在聚焦過(guò)后會(huì)比單個(gè)光束產(chǎn)生更高熱量，這種短時(shí)間產(chǎn)生的熱量會(huì)迅速上升到鈑金材料熔點(diǎn)，熔點(diǎn)之后達(dá)到沸點(diǎn)，這樣就在產(chǎn)生較高溫度的短時(shí)間內(nèi)，令鈑金材料達(dá)到熔化進(jìn)而汽化，一旦汽化，就會(huì)在激光照射點(diǎn)處呈現(xiàn)孔洞，孔洞精準(zhǔn)性較強(qiáng)。在孔洞出現(xiàn)的同時(shí)，激光切割機(jī)基于設(shè)備自身導(dǎo)向性能，提前設(shè)置預(yù)設(shè)移動(dòng)路徑，進(jìn)而方便激光光束移動(dòng)。在激光光束移動(dòng)的過(guò)程中，鈑金材料如果接觸到激光光束，就會(huì)不斷進(jìn)行熔化汽化的反應(yīng)，這種反應(yīng)不斷增多，就會(huì)由點(diǎn)成線，在鈑金材料表面呈現(xiàn)激光裂縫，也就是完成了激光切割工作任務(wù)。

2 激光切割技術(shù)分類(lèi)及優(yōu)勢(shì)

2.1 激光切割技術(shù)分類(lèi)

激光切割有很多分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，通?；诩す馇懈钤砼c激光器的角度分類(lèi)情況較多，也有按照切割材料、組成結(jié)構(gòu)和工作空間進(jìn)行分類(lèi)的情況。如果按照激光器類(lèi)型分類(lèi)，可分成光線激光切割、二氧化碳激光切割和YAG激光切割。如果按照切割原理進(jìn)行分類(lèi)，則可以分成高壓氣聚焦熔化切割、汽化切割、和氧化熔化切割。其中高壓氣聚焦熔化切割的技術(shù)實(shí)質(zhì)為，如果入射激光束密度功率超過(guò)特定值之后，被激光光束照射的鈑金材料，會(huì)從內(nèi)部開(kāi)始蒸發(fā)，進(jìn)而形成孔洞，進(jìn)而繼續(xù)對(duì)入射光束能量，形成較好的吸收作用。小孔周?chē)侨刍慕饘俦冢o助氣流會(huì)將孔洞周邊的熔化材料吹走，切割氣體通常應(yīng)用氮?dú)廨^多[3]。

其次是汽化切割，該切割技術(shù)是在高密度大功率激光束加熱環(huán)境下，令鈑金材料表面溫度迅速升高，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到沸點(diǎn)溫度，在防止熱傳導(dǎo)效應(yīng)熔化材料的同時(shí)，可以讓鈑金材料汽化消失，材料中的一部分會(huì)成為噴出物，在切縫底部位置利用輔助氣流吹走。需要注意的是，鈑金材料的厚度不宜過(guò)大，通常在6cm以下，太厚則不易切開(kāi)。切割氣體通常用氬氣和氮?dú)廨^多。

最后是氧化熔化切割，其中熔化切割部分，與前兩種切割方式使用氣體性質(zhì)相同，通常為惰性氣體，如果用活性氣體代替，則很容易點(diǎn)燃激光光束，與氧氣產(chǎn)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而在激光束照射作用下點(diǎn)燃材料，也就是氧氣熔化切割的技術(shù)實(shí)質(zhì)，此情況下切割速度通常較快。切割氣體通常為氧氣[4]。

2.2 激光切割技術(shù)優(yōu)勢(shì)

同傳統(tǒng)鈑金切割技術(shù)相比，激光切割技術(shù)在優(yōu)勢(shì)方面是顯而易見(jiàn)的，主要體現(xiàn)在以下方面：首先是在速度方面更快，激光光束從照射到鈑金材料表面開(kāi)始，進(jìn)而發(fā)生熔化、氣化，最后完成切割過(guò)程，這個(gè)過(guò)程時(shí)間非常短。在激光打孔時(shí)，通常會(huì)在幾微妙之內(nèi)，令鈑金材料快速升至熔點(diǎn)沸點(diǎn)，并在電光火石之間結(jié)束切割加工的操作。其次是切割具有高質(zhì)量，激光光束并沒(méi)有因?yàn)榍懈罴庸r(shí)間段，速度快，就忽視了切割質(zhì)量。從大量電梯鈑金加工激光切割產(chǎn)品來(lái)看，切縫不僅小而且細(xì)，切口外觀平整性和光滑性也較好，不會(huì)在切口部位產(chǎn)生粗糙毛邊或者凹凸不平的現(xiàn)象，整體切割質(zhì)量也值得信賴(lài)。然后是不會(huì)對(duì)鈑金材料本身產(chǎn)生較大負(fù)面影響，如果切割時(shí)應(yīng)用的是傳統(tǒng)切割方法，鈑金材料作用面就會(huì)很大程度受到切刀影響，進(jìn)而對(duì)材料性能產(chǎn)生較大影響，但是同樣的切割技術(shù)如果用到激光，則不會(huì)對(duì)材料作用面產(chǎn)生較大影響。最后是激光切割本身具有較強(qiáng)靈活性，這種靈活主要體現(xiàn)在范圍，而且能夠適應(yīng)鈑金材料的各種形狀，對(duì)鈑金材料的要求也不高，絕大多數(shù)材料都能滿(mǎn)足激光切割應(yīng)用條件，可以適應(yīng)當(dāng)代數(shù)控化工業(yè)要求。除此之外，激光切割不僅速度更快，而且最終成型的產(chǎn)品也無(wú)需后期打磨，省去了打磨的成本投入，因此整體成本也較低，自然提升了生產(chǎn)加工的經(jīng)濟(jì)效益。

3 激光切割實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 激光切割技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)工業(yè)體系中，激光技術(shù)主要在切割、標(biāo)記、焊接、熱處理加工等方面，從起步來(lái)說(shuō)，我國(guó)激光切割工業(yè)相較西方發(fā)達(dá)國(guó)家更晚，基礎(chǔ)薄弱，因此激光加工技術(shù)還有巨大提升空間。

3.2 融合軟件優(yōu)勢(shì)，令鈑金材料利用率提升

以G4020F-IPG2500型號(hào)的激光切割機(jī)為例，在應(yīng)用軟件方面，該型號(hào)激光切割機(jī)主要采用大族激光切割控制軟件V5.0，在優(yōu)化排料方面具有更好的輔助功能。在定尺材料方面，優(yōu)化排料功能能夠允許使用者排列不同零件，零件材料厚度需要保持一致，優(yōu)化排料功能正好可以將鈑金切割的開(kāi)料環(huán)節(jié)省去，一方面可以大幅減少裝夾頻率，也能有效減少工作時(shí)長(zhǎng)。除此之外，該型號(hào)激光切割機(jī)兼具“飛行光路”功能，在切割速度上相較傳統(tǒng)切割方式更快，并且省略了加緊被切割鈑金材料，降低了死區(qū)問(wèn)題帶來(lái)的負(fù)面影響。在編排切割方案方面，也能盡量?jī)?yōu)化，令材料節(jié)能和加工效率不斷提升[5]。

3.3 減少了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期

新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的降低，減少了模具應(yīng)用數(shù)量，當(dāng)前社會(huì)背景下，鈑金加工面臨的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)尤其激烈，因此每一個(gè)鈑金加工企業(yè)都需要認(rèn)真考慮數(shù)量增多的鈑金工件。若是采用模具生產(chǎn)的方式，一方面在模具設(shè)計(jì)與制造問(wèn)題上，需要一定時(shí)間，另一方面，現(xiàn)階段很多新產(chǎn)品鈑金加工主要采用的生產(chǎn)方式為小批量，這樣便無(wú)法充分發(fā)揮模具的加工價(jià)值，既耗費(fèi)時(shí)間，經(jīng)濟(jì)性也不強(qiáng)。但是應(yīng)用激光切割機(jī)則不需要考慮這個(gè)問(wèn)題，激光切割技術(shù)的零件不僅在質(zhì)量方面屬上乘，而且在模具生產(chǎn)環(huán)節(jié)上也被省略了，不僅在時(shí)間上更短，而且效率更高，這也是為維持企業(yè)自身競(jìng)爭(zhēng)力，企業(yè)必須重視激光切割技術(shù)的應(yīng)用[6]。

4 激光切割機(jī)在鈑金材料生產(chǎn)中的應(yīng)用

4.1 切割細(xì)長(zhǎng)工件

相關(guān)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可以證明，由于激光切割機(jī)在執(zhí)行切割操作時(shí)，熱量相對(duì)集中，對(duì)工件產(chǎn)生熱影響不大，用激光進(jìn)行切割時(shí)，可以盡量降低工件熱變形程度。如果工件長(zhǎng)度在5m以上，可以對(duì)工件直線度進(jìn)行控制，控制的方式為利用設(shè)備自身微連接功能。微連接即是一直令鋼板整體相互連接，最大程度減小應(yīng)力變形，旁彎誤差控制在2毫米之內(nèi)，為后續(xù)工序中，保證焊接坡口均勻性、直線度和平面度奠定了基礎(chǔ)。

4.2 切割較多孔鈑金材料

首先，在激光切割圓孔時(shí)，基于生產(chǎn)試驗(yàn)和實(shí)踐，在鋼板厚度不同的情況下，切割機(jī)的最小切割直徑和板厚有一定影響，板厚在特定數(shù)值情況下，只要最小直徑不超過(guò)工件圓孔直徑尺寸要求，而且直徑尺寸與粗糙度在切割機(jī)保證范圍內(nèi)，就可以進(jìn)行激光下料的操作，不必要進(jìn)行鉆孔工序，令勞動(dòng)生產(chǎn)效率得以提高。

如果工件自身含孔數(shù)量較多，而且在試驗(yàn)中，若激光光束的最小直徑大于絲孔底孔或光孔直徑大，則可以借助激光打點(diǎn)功能，對(duì)孔的位置進(jìn)行確定，從而大幅減少定位孔的工序時(shí)間，這樣不僅有助于生產(chǎn)效率和產(chǎn)品精度的提升，而且也能令制造成本大幅降低。

4.3 切割工藝豁口

鈑金工件預(yù)留工藝豁口，也有工藝孔或止裂槽的別稱(chēng)。通常情況下，工藝豁口主要包含三種形式，首先是兩個(gè)及兩個(gè)以上折彎部位相鄰，另外是某一條邊折彎部分為長(zhǎng)度方向部分完全折彎。如果是后者，則會(huì)在切割時(shí)直接預(yù)留割縫。最后一種變形情況，則是鈑金工件在折彎時(shí)，工件兩段處于懸空位置。若是這種情況，可以在工件下料階段，用激光切割機(jī)預(yù)留割縫，避免工件產(chǎn)生形變。

4.4 生產(chǎn)鈑金和鉆孔

如果用于工藝生產(chǎn)的鈑金工件形狀不規(guī)則，為了令下料精度與效率得以提升，可以利用激光切割機(jī)，完成下料檢測(cè)樣板的制作工作；如果鈑金工件卷板成形，在進(jìn)行工件制作與檢測(cè)階段，需要保證樣板和圓弧的吻合程度。通常情況下，如果工件需要鉆孔，在生產(chǎn)依然是小批量生產(chǎn)情況下，通常在模板鉆孔工序上會(huì)耗費(fèi)更長(zhǎng)生產(chǎn)周期，激光切割機(jī)會(huì)最大程度將新產(chǎn)品生產(chǎn)周期大幅縮短，令鉆床加工工件柔性提升[7]。

5 激光切割機(jī)在鈑金加工的發(fā)展趨勢(shì)

首先在完善激光切割鋼板工藝參數(shù)的情況下，激光切割鈑金材料，可以在NC代碼轉(zhuǎn)換過(guò)程中更加便捷，速度也會(huì)更快，同時(shí)能夠較好避免切割工藝自身缺陷，從而大幅提升鈑金工件的生產(chǎn)質(zhì)量，令生產(chǎn)過(guò)程更加高效。另外，激光切割技術(shù)會(huì)逐漸增加更多功能，令激光使用范圍大幅拓展，對(duì)信息資源進(jìn)行優(yōu)化整合，發(fā)揮出激光切割的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在智能化方面，可以在激光切割機(jī)中融合計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)，發(fā)揮自動(dòng)排料、遠(yuǎn)程控制與診斷的功能，令激光切割技術(shù)自動(dòng)化程度不斷提升[8，9]。

6 結(jié)語(yǔ)

激光切割機(jī)在鈑金加工中的應(yīng)用逐漸廣泛，在信息時(shí)代，激光切割未來(lái)還有較大發(fā)展空間，企業(yè)應(yīng)當(dāng)重視該技術(shù)的應(yīng)用，充分發(fā)揮激光切割技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提升鈑金切割的產(chǎn)品質(zhì)量。