浅论固体激光切割加工效果的影响因素

苟 刚 刘 勇

(西华大学 机械工程与自动化学院，四川 成都 610039）

激光技术是自20 世纪60年代初问世后便发展迅猛的一门新兴科学技术。在实际生产中，激光切割加工是激光行业应用最为广泛也是最重要的一项特种加工技术，占整个激光加工的70%左右。与传统的切割方法相比，其具有许多优点：（1）速度快，用1200W 激光功率切割2mm 厚的碳钢板速度可达5～6m/min，切割5mm 厚的有机玻璃速度可达12m/min；（2）切割质量好，切口宽度窄(一般为0.1～0.5mm）、切口表面粗糙度良好（一般Ra 为3.2～25um）；（3）效率高，激光切割无需刀具和模具，是非接触加工；（4）柔韧好，结合CAD 技术，可以切割任意形状、尺寸的板材[1]。激光切割过程相当复杂，J Fieret 先生曾总结了近50 种影响因素[2]。在众多影响因素中，主要为切割速度、激光功率、焦距位置和辅助气压。本文综述了国内外激光切割的现状，分析了各参数对切割质量的影响规律。

1 激光切割技术的发展现状

近年来，激光切割技术在各个领域发展迅速，从2011年中国国际工业博览会（CIIF2011)之金属加工与数控机床展览会上看出，激光加工机床在金属和非金属加工中占据了相当大的比重。其中在汽车工业中的应用最具有代表性，从汽车顶棚的激光焊接、挡风板的激光切割、底板的激光拼焊以及车身覆盖件三维轮廓的激光切割等。激光切割加工中没有“刀具”的磨损，工件不受切割力的影响。相对传统方法，激光切割的切割效率可以提高8～20 倍，更能够节省15%～30%的材料。欧洲、美国、和日本等工业较发达国家的激光加工机和工业激光器的生产和销售也在逐年递增，应用的领域越来越广泛。在全球用于激光加工领域的工业激光器中有超过40 %的激光器是用来作切割的。相比而言，日本在激光加工工艺等方面的研究更是走在世界的前列，在车门制造过程中使钢板切割、焊接和压模成形一体化，而且取得了很大的进展[3]。

在激光切割工艺研究方面，主要集中对激光输出功率、焦点位置、激光模式以及喷嘴形状等问题的研究。早在20 世纪70～80年代，美国、日本以及德国等国家已经在大量切割工艺试验的基础上，建立激光切割工艺数据库，在90年代初期国外就相应推出了一些高性能的激光切割系统[4]。

国内激光切割机技术含量和质量较高的制造商寥寥无几，且大多停留在中低水平。目前主要集中在样板的切割与覆盖件的下科，在激光三维切割技术方面的研究与应用才逐渐起步。国产激光切割机的激光器功率较低，最大仅能达到4000W，而国际上先进的激光器即德国通快公司制造的激光器最大功率已经达到了20000W。同国外激光切割机相比表现为切缝宽，表面质量、机械精度、整机的稳定性、柔性较差。因此，继续深入研究和开发较高质量的国产激光切割机是一项非常重要和迫切的任务。

2 激光切割参数对切割质量的影响

2.1 切割速度的影响

激光切割加工中，切割速度对切割材料的质量有相当大的影响，理想中的切割速度会使切割面呈现比较平稳的线条，且材料下部不会出现熔渣。当辅助气体气压和激光功率一定时，切割速度与切缝宽度呈现出一种非线性的反比关系，当切割速度比较慢时，激光能量在切缝的作用时间延长，从而导致切缝宽度增大，当速度过慢时，激光束作用时间太长，工件的上切缝和下切缝相差就会很大，切割的质量下降，生产效率也将大大降低。随着切割速度的升高，激光束能量在工件上的作用时间变短，这样便使得热扩散和热传导效应变小，从而切缝的宽度也相应变小。当速度过快时，被切割的工件材料就会由于切割热量输入的不足出现切不透的情况，这种现象属于不完全切割，并且熔化的材料不能及时被吹掉，这些熔融物将会使切缝重新焊接。

2.2 焦点位置的影响

焦点位置是激光焦点到工件表面的距离，它直接影响到切面粗糙度、切缝的坡度和宽度以及熔融残渣的附着状况。如果焦点位置太超前，这样会使被切割的工件下端所吸收的热量增多，在切割速度和辅助气压一定的情况下，会导致被切割的材料和切缝附近被融化的材料呈液态在下表面流动，冷却后被熔化的材料则会呈球状沾附在工件的下表面；若位置滞后，被切割的材料下端面所能吸收的热量减小，这样切缝中材料就不能完全融化，在板材下表面就会粘附一些尖锐而短小的残渣。通常情况下，焦点位置应在工件表面或稍微偏下一点，但不同的材料要求不一样，切割碳钢时，焦点在板材表面时切割质量较好；而不锈钢切割时，焦点应在板材厚度的1/2 左右时效果更佳。

2.3 辅助气压的影响

激光切割加工中，辅助气压能吹掉切割时的熔渣并冷却切割的热影响区。辅助气体包括氧气、压缩空气、氮气和惰性气体等。对于部分金属材料和非金属材料，一般使用的是惰性气体或压缩空气，能够防止材料燃烧。如铝合金材料的切割。对绝大多数金属材料则使用活性气体（如氧气），这是由于氧气能够氧化金属表面，提高切割效率。当辅助气压过高时，材料表面出现涡流，削弱去除熔融物的能力，导致切缝变宽，切割面粗糙；当气压过低时，不能完全吹走熔融物，材料下表面就会粘附沾渣。因此，切割时应调节辅助气体压力，得到最佳的切割质量。

2.4 激光功率的影响

激光功率的大小对切割速度、切缝宽度、切割厚度和切割质量都有相当大的影响。所需功率的大小是根据材料的特性和切割的机理而定。比如导热性能好和熔点高以及切割表面反射率高的材料需要较大的激光功率。一般在其它条件一定的情况下，激光切割加工中有一个获得最佳切割质量的激光功率，进一步降低或提高功率就会产生挂渣或过烧现象而导致加工质量下降。

此外，随着放电电压的增加，激光的强度会因为输入峰值功率的升高而提高，从而光斑的直径增大，切缝的宽度相应增大；随着脉冲宽度的增加，激光的平均功率会提高，激光切缝的宽度加大；通常下，随着脉冲频率的增大，切缝也会变宽，当频率超过一定值后，切缝宽度会出现减小的趋势。

3 结语

在实际生产中，无论是什么样的加工方法，最终的加工质量都会受到各种因素的影响。影响激光切割加工质量的因素也有多种，通过对这些因素的分析，能够有效地控制和保证激光切割加工的质量。对制造商而言，应该考虑更多的影响因素，为制造领域提供更好性能的设备；对用户来说，在使用设备加工时，应根据零件加工的要求和材料的特性，通过理论参考和实验的方法选择出最佳的切割参数，以获得更高的质量和生产率。

［1］鄢挫，李力均，李娟等.激光切割板材表面质量研究综述[J].激光技术，2005，29(3)：270-274.

［2］J FIERET，M J TERRY，B A WARD.Aerody namic interactions during laser cutting[J].SPIE，1986，668：53-62.

［3］孙晓东，王松，赵凯华.激光切割技术国内外研究现状[J].热加工工艺，2012，41(9)：214-216.

［4］兰天亮.三维激光切割钣金件的夹具设计方法研究[D].重庆：重庆大学，2006.