淺談激光切割不銹鋼厚板的工藝調試

文／武漢華俄激光工程有限公司

我國經(jīng)濟發(fā)展日益成熟，人們對生活品質的追求越來越高，和大家生活息息相關的不銹鋼的使用量也大幅提高，不僅如此人們對不銹鋼產(chǎn)品的質量要求也越來越高。如今不銹鋼產(chǎn)品的加工工藝——激光切割不銹鋼厚板工藝越來越成熟，逐步取代了傳統(tǒng)不銹鋼切割工藝。不銹鋼產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)要想切出高質量的厚板不銹鋼，就需要對激光切割工藝要素進行充分的了解。

隨著市場的變化，鈑金行業(yè)對碳鋼切割的綜合效率要求越來越高。傳統(tǒng)切割工藝已無法滿足如今的生產(chǎn)需求。而激光切割作為一種先進制造技術，已經(jīng)逐漸滲透到鈑金行業(yè)。并且，隨著激光功率的不斷提高，客戶對激光加工工藝的要求也越來越高。華俄激光中厚板的氧氣高速切割工藝，可以在更大程度上發(fā)揮出高功率激光設備的優(yōu)勢，如圖1所示。

圖1 華俄激光高功率激光切割機

過去，工藝人員在使用傳統(tǒng)碳鋼氧氣切割工藝的過程中，持續(xù)加大激光功率時，中等厚度碳鋼板切割速度提升并不明顯。傳統(tǒng)碳鋼氧氣切割工藝較難發(fā)揮出純激光功率提升的優(yōu)勢，而空氣切割的斷面質量又遠不及氧氣切割。為取得好的斷面切割效果和垂直度，我們的工藝人員用不同功率的設備和不同厚度的材質做了長期的測試，通過多種數(shù)據(jù)的對比，最后總結出針對中厚板的碳鋼氧氣高速切割工藝的理想?yún)?shù)。

切割工藝要素

噴嘴選型

噴嘴直徑大小（圖2）決定了進入切口的氣流形狀、氣體擴散面積、氣體流速，從而影響了熔融物去除、切割的穩(wěn)定情況。進入切口的氣流量大、速度快、工件在氣流中的位置恰當，噴射去除熔融物的能力就強。固定流量下，不同噴嘴尺寸，不銹鋼越厚，噴嘴的選用應越大，比例閥設置越大，增大流量，才能確保壓力，切割出正常斷面。

圖2 噴嘴直徑大小

輔助氣體選擇和氣體純度

不銹鋼激光切割加工中經(jīng)常會用到各種輔助氣體，例如氧氣、氮氣、空氣等，使用不同的氣體類型，切割斷面的效果不同。氧氣是黑色斷面，空氣為淡黃色，氮氣可保持不銹鋼原色不被氧化。不銹鋼切割以氮氣為首選輔助氣體。

根據(jù)華俄激光在激光行業(yè)多年的技術探索和積累，氧氣的優(yōu)點為切割速度高，能切割厚板料；氮氣的優(yōu)點為可以避免切割邊的氧化，工件因此不需再重新加工。我們建議氧氣和氮氣純度為氧氣≥99.999%；氮氣≥99.995%。

氮氣流量與噴嘴直徑、氣體壓力的測試數(shù)據(jù)如圖3所示。縱坐標為氣體流量測試數(shù)值，橫坐標為調整設置不同氣體壓力變化，不同顏色表示的是不同噴嘴直徑的測試條件。從圖形上可以看出，流量是由設置氣體壓力和噴嘴直徑?jīng)Q定的，是線性正相關性。

圖3 氮氣流量與噴嘴直徑、氣體壓力的測試數(shù)據(jù)

焦斑位置

為保證切割效果，及保護噴嘴不受損傷，在切割加工前還需要做同軸測試，確保噴嘴與激光器輸出光束同軸。測試方法：將透明膠帶紙貼至噴嘴出口端面上，調整激光輸出功率進行打孔，觀察透明膠帶紙上是否有中心孔及中心孔的位置，同步調節(jié)鏡腔手柄上的調整螺釘，直至激光在透明膠帶紙上打出的孔與噴嘴中心重合。

焦點不一樣，所能切割的厚度、材質、品質也不一樣，切割不同的材質和厚度，都需要調節(jié)成不同的焦點。切割前，測量出實際零焦點，以零焦點為基準才能夠進行切割工藝參數(shù)的測試和分析，不銹鋼切割以負離焦為主要工藝選擇方向。

激光頻率調整及占空比對切割質量的影響

頻率變化對不銹鋼厚板切割的影響（圖4）：頻率從500Hz到200Hz逐步減小，切割斷面效果變細膩，分層慢慢改善。頻率設置到100Hz時，無法切割，反藍光。通過頻率的改變，找出最佳頻率范圍。為確保最佳切割斷面，必須保證脈沖次數(shù)與單脈沖能量完美匹配。

圖4 超高功率激光器切割厚不銹鋼效果示例圖

占空比變化對不銹鋼厚板切割的影響：占空比53%是臨界值，繼續(xù)降低占空比，下表面出現(xiàn)未切透痕跡，占空比增大到60%，斷面變粗糙，分層明顯，切割表面發(fā)黃。

結束語

最近，我們的工藝研究人員到12000W設備所在客戶處進行工藝指導，用碳鋼氧氣批量高速切割工藝對厚度為20mm碳鋼進行切割，結果非常理想，切割速度較傳統(tǒng)工藝切割速度提升90%以上，工件底部無掛渣，斷面質量好，工件更容易落料，同時加工穩(wěn)定性也得到進一步提升。精工出細活，總體來說，噴嘴高度、機床運動參數(shù)、運動加速度、運行速度、材料材質等對切割結果的影響也需要進行逐項測試和分析，需要激光工藝調試技術等有志人士積極努力地為激光切割工藝的提升作出貢獻。當激光切割能力達到130mm甚至更高時，其應用的行業(yè)領域也將進一步擴大。