激光切割质量控制研究

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关键词：激光切割机；参数设置；切割工艺；质量控制

1序言

激光切割机以其切割范围广、质量好、效率高及柔性大等优点，在现代工业加工中得到了广泛应用。随着激光切割技术的不断提升，未来应用范围将会逐渐扩大。激光切割质量受到各种因素的综合影响，如何在不同的条件下，迅速选择最优的切割参数，使切割过程保持稳定，提升切割质量，为此了解激光切割加工的特点、参数设置以及切割工艺等至关重要。

2激光切割质量分析

在激光切割系统中，影响激光切割质量的主要因素有切割工件、切割系统、切割参数。激光切割系统性能在设备硬件装配完成、辅助耗材选定后就随之确定，这就需要在采购设备时重点考虑。本文主要从切割工件、切割参数设置及切割工艺等方面分析对切割质量的影响。

2.1切割工件对切割质量的影响

（1）工件材料特性对切割质量的影响工件材料的影响主要有以下两个方面。1）材料成分：对于不同材料和厚度的工件，其切割的参数也应适当改变。2）材料表面反射率：一般来说，材料对激光光束的吸收率越高，切割效果越好，反之越差，且影响设备寿命。例如，切割铝、铜等高反射材料，设备需要配置“防反射装置”进行切割。（2）材料表面状态对切割质量的影响材料表面状态的影响主要表现在以下两个方面。1）材料表面氧化严重，出现锈斑等氧化层时，会影响切割质量，如切缝不规则、有断续挂渣等现象（见图1）。2）材料覆膜切割时，需先蒸发去膜。有时蒸发去膜效果差，板材上会留有一层淡淡的覆膜氧化物，这时切割质量会下降，出现起火、挂渣、切割不透等现象（见图2）。建议切割前覆专用的激光膜，覆膜应平整、严密（见图3）。

2.2参数设置对切割质量的影响

（1）焦点位置焦点位置直接影响加工质量，不同的板材焦点位置也不同。如果焦点位置错误，容易造成切割端面表面质量差、割缝熔渣多，甚至割不透。例如，切割碳素钢，焦点在板材的上表面；切割不锈钢，焦点在板材厚度的1/2左右；切割铝合金，焦点位置接近下表面。同时随着使用过程中聚焦镜片的污染，焦点位置会适当向上移动，因此调整焦点位置时需考虑聚焦镜片污染的影响[1]。（2）切割速度在一定的板厚和激光功率下，有一个最佳的切割速度，此时的切割面粗糙度值最小。偏离最佳切割速度时表面粗糙度值就会增加，如切割速度太小，会造成热输入过大而产生过烧；如切割速度太大，热输入不足，温度低引起熔融产物黏度大，切割前沿向后倾斜（后拖量增大），不利于气流对熔融产物的吹除，则产生挂渣，甚至切割不透。一般切割速度与板材厚度成反比，板材越厚切割速度越低。当遇到切割不掉时，可适当调整切割速度，提高切割效率与质量。在低碳钢板厚2mm、激光功率1000W的情况下，切割速度与切割质量的关系如图4所示。（3）切割功率当焦点调整到位时，要有一定功率才能熔化、气化并切割透板材，一般切割功率大小随板材厚度的增大而增大。在一定的板厚和切割速度下，如果激光功率过大，造成热输入过大，会使工件的熔化范围大于气流所能吹除的范围，熔融物未能被气流完全吹除而产生过烧；如激光功率太小，热量不足，越靠近下缘熔融产物的温度越低，黏度越大，而未能被气流彻底吹除而滞留在切割面的下缘产生挂渣，严重时甚至切割不透[2]。（4）辅助气体、气体纯度与气压的影响在激光切割过程中必须添加与被切割材料相适宜的辅助气体。同轴的气体除了吹走割缝内的熔渣外，还能冷却加工表面，减少热影响区，冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片导致镜片过热。通常采用氧气、氮气、氩气作为切割辅助气体，根据工件材料的不同与对切割表面质量的需求选择不同的辅助气体。其中氩气与氮气所切割的质量比氧气好，但因其成本高，所以通常使用氧气作为辅助气体。氧气纯度要达到99.9%以上才能达到较好的加工质量，纯度过低会造成切割不透或使零件切割面有熔渣等多种情况。气体压力对切割质量也有较大影响，当气压过低时会出现加工板材面出现挂渣；气压过高，工件的切割面会出现锯齿状波纹，影响切割面质量。根据不同板材类型，需调节合适的气体压力。薄碳素钢穿孔气体压力一般为0.1~0.2MPa；中厚板气体压力一般为0.03~0.06MPa，不锈钢、铝板、黄铜一般采用低压（0.1~0.2MPa）氮气穿孔。当采用氧气切割时，钢板越厚，采用的气压越低。因为氧气作为切割气体，与工件接触起到燃烧和氧化作用，过低会出现粘连，过高会造成断面纹路过大，加工零件粗糙。气压大小因板材而异，应该通过试验确定合适的加工气体参数[3]。

2.3切割工艺对切割质量的影响

（1）微连接切割当切割细长工件时，随着切割头的移动，工件渐渐脱离板材，没有受力牵扯，逐渐热胀冷缩卷曲、变形，从而影响切割精度，存在碰撞切割头的可能。一般可以通过微连接的切割方法，使工件受板材的牵扯而达到反变形的效果。根据板材厚度、边长等因素，一般微连接长度设置为加工工件厚度的20%左右。切割变形如图5所示，变形后的工件不仅尺寸精度无法保证，而且翘起的工件可能与切割头发生碰撞，损坏设备。图6所示为微连接切割，微连接3mm切割效果较好。（2）共边与补偿为提高切割效率、节省板材，有时会采用共边切割工艺。共边是指两个零件共用一条切割边，可减少切割路径，提高板材利用率，减少辅材的使用成本。但同时应考虑在共边情况下工件的尺寸变化，实际切割操作中应把切割缝所占尺寸考虑进来，设置共边切割的补偿量，以保证工件的加工精度。根据设备性能不同，补偿量不尽相同。在设备性能、切割参数一定的条件下，针对不同板材进行实际切割时，测量割缝宽度，确定切割补偿量是十分重要的。并且根据加工部件轮廓，设置补偿量时，应注意补偿方向。（3）工件的放置切割工件的放置对切割质量也有一定的影响。一般需要平整且垂直切割头放置，下方也要尽量留出较大吹渣空间。如放置不平整可能会出现切口断面倾斜或切割不透的现象，从而影响切割质量；切割时，板材下方应尽量留空旷的空间保证顺利吹渣。如果板材下方有其他物体垫在下面，或下方吹渣距离较短会影响到吹渣效果，板材下方可能会出现挂渣等现象。应及时清理工件放置平台，保证切割时的平整及板材下方的空间。

3结束语

在实际切割加工过程中，应按照激光切割机设备性能、工件材料、厚度等特性，有效匹配切割参数，配合适宜的切割工艺，会大大提升切割效率和切割质量。首先，根据设备性能及切割耗材等确定设备的加工能力，在加工能力范围内根据加工材料的特性选择焦点位置、切割速度以及气体使用等参数，从而提升切割加工质量。其次，在实际切割作业中，为保证切割质量和生产效率还应考虑微连接、共边切割等加工工艺。

参考文献：

[1]翟东升，钟昇，胡金龙.对影响激光切割机切割质量因素的分析[J].扬州职业大学学报，2012，16（1）：24-26.

[2]侯培红.激光切割薄硅钢片的工艺研究[J].上海电机学院学报，2015，18（2）：77-81，94.

[3]熊元平.激光切割机辅助切割气体的选择[J].金属加工（热加工），2016（10）：33.

作者：马启明 马金成 马门强 郭纯正 李祥鹏 张思凡 单位：黄山学院