激光切割質量控制研究

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關鍵詞：激光切割機；參數設置；切割工藝；質量控制

1序言

激光切割機以其切割范圍廣、質量好、效率高及柔性大等優點，在現代工業加工中得到了廣泛應用。隨著激光切割技術的不斷提升，未來應用范圍將會逐漸擴大。激光切割質量受到各種因素的綜合影響，如何在不同的條件下，迅速選擇最優的切割參數，使切割過程保持穩定，提升切割質量，為此了解激光切割加工的特點、參數設置以及切割工藝等至關重要。

2激光切割質量分析

在激光切割系統中，影響激光切割質量的主要因素有切割工件、切割系統、切割參數。激光切割系統性能在設備硬件裝配完成、輔助耗材選定后就隨之確定，這就需要在采購設備時重點考慮。本文主要從切割工件、切割參數設置及切割工藝等方面分析對切割質量的影響。

2.1切割工件對切割質量的影響

（1）工件材料特性對切割質量的影響工件材料的影響主要有以下兩個方面。1）材料成分：對于不同材料和厚度的工件，其切割的參數也應適當改變。2）材料表面反射率：一般來說，材料對激光光束的吸收率越高，切割效果越好，反之越差，且影響設備壽命。例如，切割鋁、銅等高反射材料，設備需要配置“防反射裝置”進行切割。（2）材料表面狀態對切割質量的影響材料表面狀態的影響主要表現在以下兩個方面。1）材料表面氧化嚴重，出現銹斑等氧化層時，會影響切割質量，如切縫不規則、有斷續掛渣等現象（見圖1）。2）材料覆膜切割時，需先蒸發去膜。有時蒸發去膜效果差，板材上會留有一層淡淡的覆膜氧化物，這時切割質量會下降，出現起火、掛渣、切割不透等現象（見圖2）。建議切割前覆專用的激光膜，覆膜應平整、嚴密（見圖3）。

2.2參數設置對切割質量的影響

（1）焦點位置焦點位置直接影響加工質量，不同的板材焦點位置也不同。如果焦點位置錯誤，容易造成切割端面表面質量差、割縫熔渣多，甚至割不透。例如，切割碳素鋼，焦點在板材的上表面；切割不銹鋼，焦點在板材厚度的1/2左右；切割鋁合金，焦點位置接近下表面。同時隨著使用過程中聚焦鏡片的污染，焦點位置會適當向上移動，因此調整焦點位置時需考慮聚焦鏡片污染的影響[1]。（2）切割速度在一定的板厚和激光功率下，有一個最佳的切割速度，此時的切割面粗糙度值最小。偏離最佳切割速度時表面粗糙度值就會增加，如切割速度太小，會造成熱輸入過大而產生過燒；如切割速度太大，熱輸入不足，溫度低引起熔融產物黏度大，切割前沿向后傾斜（后拖量增大），不利于氣流對熔融產物的吹除，則產生掛渣，甚至切割不透。一般切割速度與板材厚度成反比，板材越厚切割速度越低。當遇到切割不掉時，可適當調整切割速度，提高切割效率與質量。在低碳鋼板厚2mm、激光功率1000W的情況下，切割速度與切割質量的關系如圖4所示。（3）切割功率當焦點調整到位時，要有一定功率才能熔化、氣化并切割透板材，一般切割功率大小隨板材厚度的增大而增大。在一定的板厚和切割速度下，如果激光功率過大，造成熱輸入過大，會使工件的熔化范圍大于氣流所能吹除的范圍，熔融物未能被氣流完全吹除而產生過燒；如激光功率太小，熱量不足，越靠近下緣熔融產物的溫度越低，黏度越大，而未能被氣流徹底吹除而滯留在切割面的下緣產生掛渣，嚴重時甚至切割不透[2]。（4）輔助氣體、氣體純度與氣壓的影響在激光切割過程中必須添加與被切割材料相適宜的輔助氣體。同軸的氣體除了吹走割縫內的熔渣外，還能冷卻加工表面，減少熱影響區，冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進入透鏡座內污染鏡片導致鏡片過熱。通常采用氧氣、氮氣、氬氣作為切割輔助氣體，根據工件材料的不同與對切割表面質量的需求選擇不同的輔助氣體。其中氬氣與氮氣所切割的質量比氧氣好，但因其成本高，所以通常使用氧氣作為輔助氣體。氧氣純度要達到99.9%以上才能達到較好的加工質量，純度過低會造成切割不透或使零件切割面有熔渣等多種情況。氣體壓力對切割質量也有較大影響，當氣壓過低時會出現加工板材面出現掛渣；氣壓過高，工件的切割面會出現鋸齒狀波紋，影響切割面質量。根據不同板材類型，需調節合適的氣體壓力。薄碳素鋼穿孔氣體壓力一般為0.1~0.2MPa；中厚板氣體壓力一般為0.03~0.06MPa，不銹鋼、鋁板、黃銅一般采用低壓（0.1~0.2MPa）氮氣穿孔。當采用氧氣切割時，鋼板越厚，采用的氣壓越低。因為氧氣作為切割氣體，與工件接觸起到燃燒和氧化作用，過低會出現粘連，過高會造成斷面紋路過大，加工零件粗糙。氣壓大小因板材而異，應該通過試驗確定合適的加工氣體參數[3]。

2.3切割工藝對切割質量的影響

（1）微連接切割當切割細長工件時，隨著切割頭的移動，工件漸漸脫離板材，沒有受力牽扯，逐漸熱脹冷縮卷曲、變形，從而影響切割精度，存在碰撞切割頭的可能。一般可以通過微連接的切割方法，使工件受板材的牽扯而達到反變形的效果。根據板材厚度、邊長等因素，一般微連接長度設置為加工工件厚度的20%左右。切割變形如圖5所示，變形后的工件不僅尺寸精度無法保證，而且翹起的工件可能與切割頭發生碰撞，損壞設備。圖6所示為微連接切割，微連接3mm切割效果較好。（2）共邊與補償為提高切割效率、節省板材，有時會采用共邊切割工藝。共邊是指兩個零件共用一條切割邊，可減少切割路徑，提高板材利用率，減少輔材的使用成本。但同時應考慮在共邊情況下工件的尺寸變化，實際切割操作中應把切割縫所占尺寸考慮進來，設置共邊切割的補償量，以保證工件的加工精度。根據設備性能不同，補償量不盡相同。在設備性能、切割參數一定的條件下，針對不同板材進行實際切割時，測量割縫寬度，確定切割補償量是十分重要的。并且根據加工部件輪廓，設置補償量時，應注意補償方向。（3）工件的放置切割工件的放置對切割質量也有一定的影響。一般需要平整且垂直切割頭放置，下方也要盡量留出較大吹渣空間。如放置不平整可能會出現切口斷面傾斜或切割不透的現象，從而影響切割質量；切割時，板材下方應盡量留空曠的空間保證順利吹渣。如果板材下方有其他物體墊在下面，或下方吹渣距離較短會影響到吹渣效果，板材下方可能會出現掛渣等現象。應及時清理工件放置平臺，保證切割時的平整及板材下方的空間。

3結束語

在實際切割加工過程中，應按照激光切割機設備性能、工件材料、厚度等特性，有效匹配切割參數，配合適宜的切割工藝，會大大提升切割效率和切割質量。首先，根據設備性能及切割耗材等確定設備的加工能力，在加工能力范圍內根據加工材料的特性選擇焦點位置、切割速度以及氣體使用等參數，從而提升切割加工質量。其次，在實際切割作業中，為保證切割質量和生產效率還應考慮微連接、共邊切割等加工工藝。

參考文獻：

[1]翟東升，鐘昇，胡金龍.對影響激光切割機切割質量因素的分析[J].揚州職業大學學報，2012，16（1）：24-26.

[2]侯培紅.激光切割薄硅鋼片的工藝研究[J].上海電機學院學報，2015，18（2）：77-81，94.

[3]熊元平.激光切割機輔助切割氣體的選擇[J].金屬加工（熱加工），2016（10）：33.

作者：馬啟明 馬金成 馬門強 郭純正 李祥鵬 張思凡 單位：黃山學院