激光切割参数对板材品质影响的研究

叶 畅，尹昭辉，季进军

（江苏省电子产品装备制造工程技术研究开发中心，江苏 淮安 223003）

激光切割在现代工业中得到广泛应用，激光切割设备占整个激光加工设备比例达70%以上[1]。随着生产的发展和新工艺的应用，对切割品质的要求越来越高，这对切割工艺规范的选取提出了更高的要求。但是激光切割品质受到各种因素的影响，为了获得理想的切割品质，各个切割参数被限制在一个很窄的范围内。因此对影响激光切割表面品质的主要因素，如工作气体、激光功率、辅助气体、焦点位置及切割速度进行实验分析对比，研究出相应条件下的加工最优工艺参数，对保持切割品质稳定尤为重要。

1 激光切割质量的评价指标[2,3]

关于评价切割质量的主要指标，作如下阐述。

1.1 激光切割缺陷

（1）过烧。由于激光功率过大或切割速度过慢，使工件的熔化范围大于高压气流所能吹除的范围，熔融金属未能被气流完全吹除，产生过烧，如图1 所示。

图1 过烧

（2）挂渣。辅助气体气流，未能将切割过程中产生的熔化或汽化的材料彻底吹除，而在切割面的下缘附着熔渣的现象，称为挂渣。如图2 所示。

图2 挂渣

1.2 可量化的切割品质指标

（1）切割表面粗糙度。是反映切割品质的一个重要指标，用Rz 表示。

（2）切口宽度。切口宽度主要取决于光束模式和聚焦光斑的直径，切割参数也有一定影响。

（3）切口锥度。当切割参数选择不当，或辅助气体压力不足时，切口容易呈上宽下窄的锥度，如图3 所示。但对薄板切割来说，这不是一个很难解决的问题。

图3 切口的锥度

1.3 切割面粗糙的评价基准

对于厚度在2 mm 以上的板材激光切割，切割面粗糙度分布是不均匀的，沿厚度方向差别很大，切割面的形貌分为截然不同的两部分，上部表面平整光滑，切割条纹整齐、细密，粗糙值小；下部分切割条纹紊乱，表面不平整，粗糙度值大。如图4 所示。

图4 采用不同切割参数的切割面形貌

由此可见，靠近下缘位置，是切割面粗糙度值最大位置，是切割面品质的薄弱环节，因此在评价切割面品质时，应以下缘表面为基准，目前国内多采用聚下缘1/3 处的粗糙度为基准。

2 影响切割品质的主要因素分析

影响激光切割品质的主要因素，大致可分为两类：激光切割系统性能的影响和激光切割参数的影响。本文主要研究激光切割参数对切割品质的影响。

2.1 焦点位置对切割面粗糙度的影响分析

选取激光功率500 W，对2.3 mm 厚软钢进行切割实验，切割速度2 m/min，焦点距离63.5 mm。实验得出点阵图如图5 所示。

图5 焦点位置对切口表面粗糙度的影响[6]

分析得出结论：由图5 得出切口光洁范围是：0.988＜ab＜1.003，所以一般切割常将焦点置于工作表面下1mm 的范围。

2.2 激光功率和切割速度对切口宽度的影响分析

分别试用激光功率400 W、600 W、800 W、1 200 W、1 600 W 切割机，对1 mm 厚低碳钢板进行切口实验；另用激光功率600 W 采用不同切割速度切割机，对1 mm 厚低碳钢板进行切口试验实验。两数据如表1、表2 所列。

表1 不同功率产生的切口宽度数据记录表

表2 不同切割速度产生的切口宽度数据记录表

分析以上两表格数据，可得出结论：切口的宽度随激光功率的增加而增大，随切割速度增加而减小。

2.3 激光功率对切割面粗糙度的影响[2]

分别试用400W、600W、800W、1 000W、1 200W、1 600W 几个激光功率，采用3 m/min 的切割速度，对2 mm 厚低碳钢板进行切割实验，分析近下缘处粗糙度。分析数据如表3 所列。

表3 不同功率切割产生切割面粗糙度数据记录表

分析表3 数据，可得出结论：

（1）激光功率太小，热量不足，越靠近下缘熔融产物温度越低，因而未能被高压气流彻底吹除，而滞留在切割下缘产生挂渣[5]；

（2）激光功率太大，造成热输入过大，使工件的熔化范围大于高压气流所能驱除的范围，熔融金属未能被气流完全吹除，而产生过烧。

（3）由表3 数据可以看出，有一个最佳激光功率范围（800～1 000 W），此处切割面粗糙度最小。

2.4 切割速度对切割面粗糙度的影响

选试用1 000 W 激光功率，采用不同的切割速度，对2 mm 厚低碳钢板进行切割实验，分析近下缘处粗糙度。分析数据如表4 所示。

表4 不同切割速度产生切割面粗糙度数据记录

分析表4 数据，可得出结论：与选择不同功率类似，切割速度太小，会产生过烧；切割速度太大，会挂渣，近下缘的粗糙度都很大。在所选切削速度范围内，有一个最佳切割速度50 mm/s。

3 结束语

（1）用1 000W CO2激光器切割2 mm 低碳钢时，用O2做辅助气体，ab=1，切割速度50 mm/s 时，可得到最佳的切割品质。

（2）实验证明，在激光切割过程中，激光功率、扫描速度、离焦量、吹气量、板材厚度以及材料本身的特性等诸多因素，影响着切口的品质。其中，最为显著的是切割速度、输出功率和板材的厚度。为保证产品的技术性，获得良好的切割品质，需要选择合适的切割速度；同时为提高产品的经济性，提高工效，降低成本，还需要在保证品质的前提下，尽可能缩短切割时间。

（3）随着激光切割工艺的完善，激光切割以逐步从试验转化为工业化生产力，从一般的工业应用向精细加工领域发展。

[1]陈武柱.激光焊接与切割质量控制[M]. 北京：机械工业出版社，2010.

[2]张永强.激光切割质量同轴视觉检测与控制研究[D].北京：清华大学机械工程系，2006.

[3]张永强，吴艳华，陈武柱，等. 激光切割质量在线评价方法的研究[J].中国激光，2006，33（11）：1581-1584.

[4]闫 禾，等.高功率激光加工及其应用[M].天津：天津科学技术出版社，1992.

[5]Miyamoto I，et al. The Mechanism of Laser Cutting[J]. Welding in the World，1991，29(9-10)：283-294.