幾種提高激光切割效率的方法

文／張帆，孫鵬·中車大同電力機(jī)車有限公司

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導(dǎo) 語

激光切割機(jī)作為目前行業(yè)內(nèi)先進(jìn)板材加工設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，切割方法直接決定了生產(chǎn)效率和工件質(zhì)量，因此探討行之有效的切割技巧，以期提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低板材浪費(fèi)率顯得十分必要。本文主要描述了幾種已經(jīng)在生產(chǎn)過程中得到充分驗(yàn)證的切割技巧，包括蛙跳式空行程進(jìn)給、集中穿孔、微連接的應(yīng)用以及在激光切割加工時(shí)穿孔點(diǎn)的優(yōu)化選擇。在實(shí)際的生產(chǎn)中，通過上述方法有效提高了工件的切割質(zhì)量和加工效率。激光切割是一種高能量密度，可控性好的無接觸加

工，是利用從激光發(fā)生器發(fā)射出的激光束，經(jīng)光路系統(tǒng)將激光束聚焦成最小直徑可小于0.1mm 的光斑，達(dá)到高功率密度的激光束照射條件，激光的熱量被照射的工件材料吸收后，工件溫度急劇上升，到達(dá)熔點(diǎn)，材料開始液化并形成孔洞，并伴隨著高壓氣流，隨著光束與工件相對(duì)位置的移動(dòng)，最終使材料形成連續(xù)切縫。切割時(shí)需要添加與被切割材料相適應(yīng)的輔助氣體，以加速材料的熔化，吹走熔渣并保護(hù)切縫不被氧化，從而達(dá)到優(yōu)異的切割速度和切割質(zhì)量。

目前常見的下料方式主要有剪切、線切割、仿形切割、火焰切割、水刀切割、激光切割等。其中，激光切割由于切口光滑、尺寸精確、速度快、噪聲小、煙塵少以及能進(jìn)行各種形狀復(fù)雜的板材切割等優(yōu)點(diǎn)，在16mm以下的鋼板中，得到越來越廣泛的應(yīng)用。中車大同公司在技術(shù)引進(jìn)后購置了大量激光設(shè)備，其承擔(dān)著我司各種車型60%以上的板材下料工作，發(fā)揮著極其重要的作用。

而在激光實(shí)際切割過程中，切割技巧至關(guān)重要。因此，熟練掌握各種激光切割技巧，是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。通過試驗(yàn)探索，總結(jié)了以下幾種激光切割中會(huì)用到的切割技巧，經(jīng)過在實(shí)際生產(chǎn)中的運(yùn)用，有效的提高了生產(chǎn)效率，減少了材料的浪費(fèi)。

蛙跳式空行程進(jìn)給

蛙跳是激光切割機(jī)的空程方式。如圖1 所示，切割過程完成孔1 之后，接著要切割孔2。此時(shí)切割頭要從點(diǎn)A 移動(dòng)到點(diǎn)B。當(dāng)然，移動(dòng)過程中要關(guān)閉激光。從點(diǎn)A 到點(diǎn)B 之間的運(yùn)動(dòng)過程，設(shè)備“空”跑，稱為空行程。

激光切割機(jī)一般空行程如圖2 所示，切割頭要次第完成三個(gè)動(dòng)作：上升（到足夠安全的高度）、平動(dòng)（到達(dá)點(diǎn)B 的上方）、下降。

圖1 空行程

圖2 切割頭空行程方式

而壓縮空程時(shí)間，可明顯提高設(shè)備的效率。如果將次第完成的三個(gè)動(dòng)作，變?yōu)椤巴瑫r(shí)”完成，便可縮短空程時(shí)間，即切割頭從點(diǎn)A開始向點(diǎn)B移動(dòng)時(shí)，同時(shí)上升；接近點(diǎn)B時(shí)，同時(shí)下降，猶如蛙跳動(dòng)作一樣，如圖3 所示。采用這種空行程方式，其只占用了從點(diǎn)A 到點(diǎn)B 平動(dòng)的時(shí)間，省去了上升、下降的時(shí)間。激光切割機(jī)采用蛙跳的空行程進(jìn)給，有效減少了空行程運(yùn)動(dòng)時(shí)間，加工效率便可有效提升。

圖3 切割頭空程運(yùn)動(dòng)軌跡類似于蛙跳的弧線

集中穿孔

集中穿孔，也稱為預(yù)穿孔，實(shí)際上是一種加工工藝，一般激光切割設(shè)備并無此功能。比如激光在切割較厚的板材時(shí)，每一個(gè)輪廓的切割加工都要經(jīng)歷穿孔和切割兩個(gè)階段。而常規(guī)的加工工藝為穿孔→切割輪廓1 →穿孔→切割輪廓2，如圖4 所示，其中小圓點(diǎn)是穿孔點(diǎn)，箭頭是切割路徑順序。

圖4 常規(guī)激光切割加工路徑

而所謂的集中穿孔，就是將整張板料上的所有穿孔過程提前集中執(zhí)行，然后再執(zhí)行切割過程，如圖5 所示，圖中小圓點(diǎn)是穿孔點(diǎn)，箭頭是空行程路徑順序。

圖5 集中穿孔加工工藝

集中穿孔的加工工藝路線為完成所有輪廓的穿孔→回到起點(diǎn)→切割所有輪廓。與常規(guī)加工工藝相比，集中穿孔時(shí)設(shè)備的運(yùn)行軌跡總長有所增加，但其優(yōu)點(diǎn)在于集中穿孔可有效避免過燒。尤其是在厚板穿孔過程中，在穿孔點(diǎn)周圍形成熱量聚集，如果此時(shí)緊接著切割，就會(huì)出現(xiàn)過燒現(xiàn)象（圖6）。而采用集中穿孔工藝方式，完成所有穿孔、返回起點(diǎn)再切割，由于有充分的時(shí)間散熱，就避免了過燒現(xiàn)象。

圖6 切割面過燒現(xiàn)象

微連接的應(yīng)用

激光切割在加工時(shí)，板料被鋸齒狀的支撐條托住，被切割下來的零件如果不夠小，就不能從支撐條的縫隙中落下；如果不夠大，就不能被支撐條托住，則可能失去平衡，發(fā)生工件翹起。而高速運(yùn)動(dòng)的切割頭可能與之發(fā)生碰撞，輕則停機(jī)，重則發(fā)生損壞，如圖7 所示。

圖7 切割頭和翹曲工件發(fā)生碰撞

而采用微連接切割工藝，則可避免發(fā)生此類問題。具體方法為：在對(duì)圖形進(jìn)行激光切割編程時(shí)，有意將封閉的輪廓斷開若干處，使得切割完成后零件與周圍的材料粘連在一起，不致掉落，而這些斷開處，稱為微連接（圖8）。斷開的距離，約在0.2 ～1mm，需按照斷開距離與板料的厚度成反比的原則來選取。

圖8 微連接

在激光切割過程中使用微連接將零件與周圍材料連在一起時(shí)，要根據(jù)輪廓的長度，添加合適數(shù)量的微連接；還要區(qū)分內(nèi)外輪廓，使不留微連接的內(nèi)輪廓（廢料）掉落，而保留微連接的外輪廓（工件）與母材粘連在一起，從而免去分揀的工作。

切割小孔（直徑小于板厚）變形情況的分析

通常情況下，切割孔的大小規(guī)定為：

(1)切割8mm 以內(nèi)的碳鋼類板材，孔徑不能小于板材的厚度。

(2)切割10mm 以內(nèi)的碳鋼類板材，孔徑不能小于板材厚度的1.2 倍。

(3)切割4mm 以內(nèi)的不銹鋼板材，孔徑不能小于板材的厚度。

(4)切割4mm 以上的不銹鋼板材，孔徑不能小于板厚的1.2 倍。

然而在激光切割生產(chǎn)中，經(jīng)常會(huì)遇到孔徑小于板厚的工件，且加工困難，切割質(zhì)量較差。主要是因?yàn)楫?dāng)程序切割到直徑小于板厚的圓孔時(shí)，機(jī)床默認(rèn)的切割方式由原來的連續(xù)切割變?yōu)槊}沖穿孔式切割，這使得激光能量在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)過于集中，非加工區(qū)域也被燒損，造成孔的變形，影響加工質(zhì)量。經(jīng)過我司的摸索和嘗試，發(fā)現(xiàn)若使用熔化切割代替火焰切割，也就是當(dāng)程序運(yùn)行到切割小圓孔時(shí)，調(diào)整切割狀態(tài)，用高壓氮?dú)獯嫜鯕膺M(jìn)行切割，當(dāng)切割完小孔時(shí)，再變回的氧氣切割。用這種方法切割出來的小孔，無論正反面圓孔形狀均十分規(guī)則，可達(dá)到合格要求，并降低廢品率，提高生產(chǎn)效率。

圖9 激光切割加工時(shí)穿孔點(diǎn)的選擇

圖10 激光切割加工時(shí)穿孔點(diǎn)的選擇

激光切割加工時(shí)穿孔點(diǎn)的選擇

在激光切割加工過程中，激光束在材料上連續(xù)照射后在中心形成一個(gè)凹坑，進(jìn)而與激光束同軸的工作氣流很快會(huì)將熔融材料去除，形成一個(gè)小孔。此孔類似于線切割的穿線孔，激光束以此孔為加工起始點(diǎn)進(jìn)行輪廓切割，通常情況下飛行光路激光束的走線方向和被加工零件切割輪廓的切線方向垂直。

因此，激光束在開始穿透鋼板時(shí)到進(jìn)入零件輪廓切割的這一段時(shí)間，其切割方向上將有一個(gè)很大的改變，由垂直于切割輪廓的切線方向轉(zhuǎn)為與切割輪廓的切線重合，即與輪廓切線的夾角為0°，這樣就會(huì)在被加工材料的切割斷面上留下比較粗糙的切割面，這主要是由于在短時(shí)間內(nèi)，激光束在移動(dòng)中的方向變化過快導(dǎo)致。因此在采用激光切割加工零件時(shí)，必須注意此問題。一般來說，在工件對(duì)表面切割斷口沒有粗糙度要求時(shí)，可以在激光切割編程時(shí)不做手動(dòng)處理，讓控制軟件自動(dòng)產(chǎn)生穿孔點(diǎn)；若所要加工的工件切割斷面有較高要求，就必須進(jìn)行穿孔調(diào)整，通常需要在編制激光切割程序時(shí)對(duì)激光束的起始位置做手動(dòng)調(diào)整，即人工對(duì)于穿孔點(diǎn)控制。需要把激光程序原來產(chǎn)生的穿孔點(diǎn)移到需要的合理位置，以達(dá)對(duì)加工零件表面精度的要求。

如圖9 所示，若此工件對(duì)圓弧部分有切割面粗糙度要求，在編制激光切割程序時(shí)，切割起始（穿孔點(diǎn)）就要設(shè)置在A 和C，而不能設(shè)置在B 和D。而如果此工件只對(duì)直線邊切割面粗糙度有要求，那么在編制激光切割程序時(shí)，切割起始點(diǎn)就要設(shè)置在B 和D，而不能設(shè)置在A 和C。

同樣的，如圖10 所示，如果此工件外形設(shè)計(jì)對(duì)圓弧有精度要求，我們?cè)诰幹萍す馇懈畛绦驎r(shí)，切割起始點(diǎn)（穿孔點(diǎn)）就只能設(shè)置在D，而如果此零件只對(duì)直線邊的精度有要求，那我們?cè)诰幹萍す馇懈畛绦驎r(shí)，切割起始點(diǎn)（穿孔點(diǎn)）就可以選擇除了D 點(diǎn)以外的任何點(diǎn)了。

結(jié)束語

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，激光切割機(jī)的操作復(fù)雜而又精細(xì)，工件種類繁多，材質(zhì)多樣，隨著切割工藝的日益成熟，只要能夠熟練運(yùn)用各種切割技巧，并在不斷的解決問題中積累經(jīng)驗(yàn)，就可以提高人和設(shè)備的加工生產(chǎn)能力。