激光切割机在薄板加工中的提质与增效

文／钟永纪·广州铁道车辆厂

激光切割机在薄板加工中的提质与增效

文／钟永纪·广州铁道车辆厂

通过优化切割参数、调整子程序和新增辅助工装，提高激光切割机在薄板加工中的质量和生产效率。

新购置的激光切割机，主要应用于钣金件及中厚板产品的加工，其优点是应用范围广，加工精度较高，不同材质、不同厚度的金属和非金属都可以加工，特别是在曲线加工和小批量异形零件加工中有较大优势。由于激光切割机固定资产价值大，在使用过程中如何提高激光加工的生产效率和加工质量，降低生产成本，是现场需要解决的一个重要环节。公司为专业汽车板材配套公司加工的L11K激光切割件，是轿车车门用材料，该件先用激光切割出外形后，与不同厚度的高强度板材激光焊接在一起，再进行冲压成形加工，以达到既能减轻部件重量，提高材料利用率，又能满足部件局部强度的要求。

L11K激光切割件的技术要求

此件每月产量大约4000件，交货期较短，产品加工精度要求高，如图1所示，其中：

⑴切割件尺寸较大，为0.65mm×1730mm× 910mm，板料厚度较薄，易变形；

⑵切割后直线度a要求在0.05mm以内，毛刺b要求在0.03mm以内；

⑶切割后对角线c要求在1.0mm以内，平面度d要求在1.0mm以内；

⑷切割后对称度e要求在0.5mm以内。

由于新购置的激光切割机设备复杂程度高，特别是控制及编程部分，采用的是进口件，中文操作说明书编写过于简单，没有提供相应子程序的调用及修改说明，在初期操控激光切割机时，有许多方面需在实践中进行摸索和熟悉。

通过样件试割，产品不良情况统计如图2所示。从试割的统计情况可以看出，在L11K激光切割件品质不良问题中毛刺超差所占的比率最高，其次是对称度，另外还存在产品生产效率低的问题。

原因分析

⑴由于激光切割机为新购进的设备，要想加工出高质量的产品，需熟悉相关参数的调整，还要对机床性能有较深的了解和有丰富的操作经验。影响切割毛刺的主要原因有：1)激光聚焦点设置不当；2)激光功率调整不当；3)切割速度调整不当；4)气体压力调整不当。

⑵由于材料长宽尺寸为1730mm×910mm，因长度有7mm误差的存在，使切割后对称度e的精度较难保证，并影响到激光加工的生产效率。

⑶在说明书中，切割不同材料所选用的切割气体是不同的，对碳钢切割选用高纯氧，对有色金属及不锈钢切割选用高纯氮。被切割材料是SPT83BQ(日本钢号)，为表面有锌合金防锈层的高强度碳钢，在试割时选用纯氧作为切割气体，结果切割断面结瘤情况严重。

⑷激光切割机是精密设备，对现场环境的灰尘、振动都有一定要求。由于目前激光切割机安装位置在冲压中心厂房，与下料区及铆焊作业区相距较近，下料区的灰尘及铆焊作业时的烟尘都较严重，剪板机工作时的振动也较大，对激光切割机加工精度都会带来一定影响。

⑸加工的尺寸精度，一方面依靠激光切割头自身的运动精度，另一方面要通过选择相应的补偿量来消除割缝尺寸误差。

通过以上的分析得出，影响激光切割质量的主要原因是：⑴切割参数的调整不合理；⑵材料切割气体选用不当；⑶激光割缝所对应的补偿量选用不当。

影响切割生产效率的主要原因是：⑴板料长度误差；⑵最佳切割路径的选择。

技术改进对策及实施

对策一：确定最佳切割参数

⑴确定激光聚焦点位置参数。

通过调试比较激光聚焦点在材料厚度为0.65mm的不同位置的切割质量，确定聚焦点在板厚中心位置时，切割断面的质量最好。

⑵确定激光功率及切割速度匹配参数。

通过多次反复调试，将切割速度由原来的3m/min提高到5m/min的工作状态，相匹配的激光功率提高到1200W，能够保证切割后质量满足要求。

⑶确定气体压力匹配参数。

在5m/min的切割速度下，气压的稳定对切割毛刺影响较大，气压波动的最大范围应控制在(1.0±0.2)MPa之间，方能保证切割后的质量满足要求。

对策二：确定切割材质为SPT83BQ钢板的切割气体

按操作说明书，碳钢切割气体采用纯氧，但SPT83BQ为表面带有锌合金防锈层的高强度碳钢，由于材料表面的锌合金熔点低，导致氧化结瘤严重。经试验后，决定按不锈钢切割模式采用99.999%纯氮气进行切割，切割后毛刺能达到用户要求。

对策三：确定最优切割路径

机器默认的切割路径如图3所示，通过手工修改程序，切割路径得以优化，如图4所示，从而使切割时间节约1分多钟。

对策四：设计、制造快速定位工装

为保证切割后对称度的要求，并能实现快速高效定位，减少因板料长度误差而进行调整的时间，提高生产效率，设计制作快速定位工装，如图5所示。

实施效果检查

对策实施后，对L11K激光切割件连续生产2000件后的质量情况进行统计，如表1所示。

表1 改善后的质量切割情况

通过以上统计情况来看，切割毛刺的合格率为99.6%，比试制时有较大程度的提高，但在实际作业中发现，由于生产时采用的切割气体是5.3m3/瓶的纯氮气，当每瓶氮气快用完时，由于气压下降，操作者要及时对切割气压进行调整，否则就会出现切割毛刺变大的情况。另外，由于采用氮气切割时，氮气的消耗量较大，每切割15件左右就需要更换一瓶氮气，每瓶氮气更换时间约占7min，每天换气就占用49min时间，生产效率低，并且现场气瓶堆积较多，严重占用生产场地。

制定改进措施

⑴为减少换瓶占用的时间，提高生产效率，决定采用120kg/罐的液态氮，每罐液态氮相当于20瓶5.3m3/瓶纯氮气。

⑵为解决液态氮在气化时罐体表面结冰严重，导致气化量跟不上切割时气体消耗量的问题，考虑增加一套气化器，并将两罐液态氮并联使用，以满足生产需要。

⑶修改切割程序中的子程序，关闭空行程时氮气控制阀，节约气体的消耗。

⑷加强对气瓶气压的监控，规定每切割100件检查一次气瓶压力。

改进后的实施效果

在改进措施实施后，L11K激光切割件的切割质量比较稳定，每月产量稳定在4000～5000件，最终检验合格率达到99.9%。由于采用大罐液态氮代替小瓶氮气，每大罐液氮可割300件左右，而小瓶纯氮只能割15件，每件可节约氮气2元左右。且由于修改数控子程序，关闭空行程时氮气消耗，又可使每件节约0.12元。更换气体频次也由每天7次降到2天一次，一年可节约制造成本10万余元。

结束语

通过L11K项目的开发及攻关，从中积累了不少激光切割的生产经验。在激光加工中，切割质量除与上述因素有关外，还和喷嘴直径、喷嘴与加工件的距离、喷嘴与光束的同轴度、镜片的表面洁净度、激光Y轴飞行恒光路的光斑调整、激光光路中保护气体的纯净度等众多因素有关。虽然此次解决了L11K薄板件激光加工中存在的问题，但在针对不同材质及板厚材料的加工方面仍需进一步积累经验。