浅析光纤激光切割中提高激光喷嘴的使用寿命的桥位工艺

刘正阳

（湖南科技职业学院，湖南 长沙410118）

激光切割机的发展日新月异，在薄板切割中，光纤激光切割机凭借着无耗材、速度快、加工效果精致等特点在行业内应用不断普及，激光头的使用和维护成为用户接触频率较高的组件之一，激光喷嘴是激光头最前沿的激光加工利器[1]。在激光切割过程中，在传感器的保护下，理论上喷嘴垂直方向不可能撞到铁板，走刀中与被切割铁板保持一定的间隙，但实际中，喷嘴在高温光束及高速氧气或空气通过的情况下，时常与钢板接触甚至碰撞，喷嘴孔经常要停机维护更换，降低生产效率及加大激光喷嘴的损耗。本文结合切割机床特点，从切割排版的桥位工艺入手，降低板材与喷嘴的碰撞率，从而加大喷嘴及激光头组件的使用寿命，减少维护及更新零配件的成本。

1 激光喷嘴失效分析

激光喷嘴一般为紫铜或铜合金精车而成，此为单层喷嘴；喷嘴前端面镀上一层铬，为双层喷嘴，喷嘴孔径有φ1.0～3.0 mm，设5°倒锥孔等。很显然这种喷嘴散热性强，不易粘熔渣，制造方便。但喷嘴制造工艺及机电性能的缺点，容易发生以下失效形式：

（1）喷嘴前面熔蚀，孔径变大或变形

铜合金材质偏软，熔点低，喷嘴面易被碰擦变形，非镀铬喷嘴面易接触熔渣熔蚀，倘若熔蚀点发生在孔径内圈边缘，形成积屑瘤（高速气流无法吹出），从而影响激光束的方向和能量，影响割缝精度及缝面质量[2]。积屑瘤形成变大后，在高温及高速气流的冲击下脱落，孔径边缘部分少部分材料随之脱落，时间长了，孔径变大或者变形，影响激光束的聚焦调整。

（2）喷嘴孔变形，熔渣颗粒损坏内部镜片

切割加工中，激光头在垂直方向上受到碰撞后，有传感器识别保护停机；但水平方向碰到翘起来的钢板，受力重，传感器感应而停机，喷嘴底端孔变形，激光头偏斜，激光束偏摆，无法继续切割；受力轻，传感器不足以感应停机，则喷嘴孔在钢板紧密接触下，完全“浸”在熔渣中，高速气流吹起熔渣四溅，这时细微熔渣颗粒或者汽化金属倒灌进入激光头内部，形成金属粉尘，遮挡、损坏内部镜片薄膜，影响激光束通过，降低切割质量。用户经常要停机对激光头进行拆卸清洗除尘或者更换零部件，调整激光束焦距等，大大降低了耗材的使用寿命及增加了维护保养成本。

2 切割排版桥位工艺

光纤激光切割机机床托料平台都是锯齿状的，锯齿尖点排列间距离约（60×30）mm，进行激光切割加工时，板料被锯齿状的支撑条托住，这样在切割时就不会伤到托料台了。

在切割过程中，钢板的厚薄、材质的软硬、钢板的平整度以及应力变形都会影响切割的质量，就切割钢板时为避免发生翘曲而采用的桥位工艺归纳为以下几点：

（1）切割零件轮廓大小

如果被切割下来的零件不够小，不能从支撑条的缝隙中落下，或者如果又不够大，不能被支撑条托住，则可能失去平衡翘起，如图1—A工位所示。而此时高速运动的切割头可能与之发生碰撞，轻则停机，重则损坏切割头，造成不可修复的损伤。如上所述激光喷嘴失效分析。

如果被切割下来的零件比较小，切割后直接从支撑条之间的空隙落下，如图1—B工位所示。尽管这种零件没有碰到激光喷嘴，但零件掉到机床下面的废料收集箱，后期的清理工作比较麻烦。

如果被切割下来的零件比较大，切割后直接搁置支撑条上面，如图1—C工位所示。

图1 切割零件状态图

上述三种不同大小的零件在切割完后，零件及废料搭边需一起从支撑条上移出，这时候散落的零件需要人工逐个拿出或者从支撑条之间的空隙掉落，大大增加了人工成本和时间成本。

为了避免发生这种问题，于是采用了利用桥位（微连）的切割工艺。如图2所示，在对图形进行激光切割编程时，有意将封闭的轮廓，断开若干处，使得切割完成后零件与周围的材料粘连在一起，不致掉落，这些断开处，就是桥位。也称为断点或微连。一般相同零件的桥位位置尽量统一，避免零件毛刺多样化和影响切割编程效率。

图2 桥位工艺图

桥位处断开的距离，约0.2～0.5 mm，与板料的厚度成反比。基于内轮廓（废料），与母材断开了，叫断点；基于外轮廓（零件），与母材相粘连，叫微连。桥位将零件与周围材料连在一起，成熟的编程软件，可根据轮廓的长度，自动加上合适数量的桥位。还能区分内外轮廓，决定是否加桥位，使不留桥位的内轮廓（废料）掉落，而留桥位的外轮廓（零件）与母材粘连在一起，不掉落，从而免去分拣的工作。如图3所示。

图3 废料与零件的桥位工艺图

（2）切割板材应力

光纤激光切割一般加工Q235及不锈钢板材，钢板厚度0.5～20 mm，切割工作时，金属材料在激光束的聚焦下，迅速加热汽化，进而蒸发形成空洞，激光束移动，不断形成的孔洞形成连续宽度很窄的切缝[2]，切缝一般只有0.1～0.5 mm，钢材局部升温快，热量被传导得少，特别小于0.5 mm的不锈钢，往往在切割的零件或者搭边的窄小处发生应力集中翘曲，严重时翘曲部分板材堵住激光喷嘴或者被激光喷嘴撞击，导致钢板走位或者激光喷嘴损坏，如图4所示。成熟的编程软件，可根据轮廓的长度，按数量或者按间隔距离进行微连设置。微连的地方实际切割时不开光（激光头运动），可以确保整个图形加工完成不掉落或翘曲。

图4 切割板材翘曲示意图

为了避免发生这种问题，于是采用了利用桥位（微连）的切割工艺，如图5所示。成熟的编程软件，可根据轮廓的长度，按数量或者按间隔距离进行微连。微连的地方实际切割时不开光，可以确保整个零件加工完成不掉落，零件或者搭边翘曲变形小。当然优秀的激光加工技术员可以根据实际出发，人工设置微连的地方，尽可能地减小零件和搭边的翘曲变形量，从而保护激光切割头零部件。

图5 平衡桥位防翘曲示意图

3 结束语

本文以设置桥位工艺的钣金激光切割排版为切入点，初浅的分析了激光喷嘴与钢板或零件碰撞的原因，通过在零件排位时，设置桥位工艺连接，减少了零件翘起或者钢板翘曲的情况发生，降低其激光喷嘴碰撞的几率，提高喷嘴及激光头组件的使用寿命，减少维护及更新零配件的成本。另一方面，钢板的材质及厚度，加工设备的传动机构、托料平台等，都会综合影响钢板的翘起。因此在实际生产过程中，要统筹兼顾各个影响因素，扬长避短，才能高效、高品质、低成本的完成各项工作，提高市场竞争力。

[1]王 雷.激光切割不锈钢工艺浅析[J].科技创新与应用，2013（4）：105-106.

[2]杨苏庆.激光切割板材的关键技术[J].机械制造与研究，2007，36（6）：68-70.