中厚板激光切割技术应用与研究

尤胜超 张 伟

（安徽合力股份有限公司，合肥230601）

激光加工技术在现代制造业发展中发挥着越来越重要的作用。对于工程机械制造行业来说，近年来，也加大了对激光切割设备的投入和使用。但在实际切割使用中，激光加工较多的应用于5mm以下碳钢板材切割，而对于6～16mm板材切割，多使用火焰切割或等离子切割技术。随着激光加工技术发展以及激光切割在环保方面的优势，碳钢中厚板也越来越倾向于使用激光技术进行切割加工。本文结合热切割原理以及实际应用案例的综合比较，阐述激光切割技术在中厚板切割中的应用，为企业实际选用提供了良好的借鉴。

1 热切割与激光加工原理

热切割是指利用集中热能使材料熔化或者燃烧并分离的方法。目前应用最广泛的三种热切割方式有火焰切割、等离子弧切割和激光切割。

火焰切割。用可燃气体和氧混合燃烧所产生的火焰来熔化金属，并将其吹除而形成切口。可燃气体一般用乙炔气，也可用石油气、天然气或煤气。

等离子弧切割。用等离子弧作为热源，借助高速热离子气体(如氮、氩及氩氮、氩氢等混合气体)熔化金属，并将其吹除而成割缝。同样条件下，等离子弧的切割速度大于气割，且切割材料范围也比气割更广。等离子弧切割包括，小电流等离子弧切割、大电流等离子弧切割和喷水等离子弧切割。

激光切割。利用激光束作为热源进行的切割，其温度超过11000℃，足以使任何材料气化。

图1是三种热切割原理的比较示图。

图1 热切割原理比较

激光切割是通过应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。在计算机的控制下，通过脉冲使激光器放电，从而输出受控的重复高频率的脉冲激光，形成一定频率、一定脉宽的光束。该脉冲激光束经过光路传导及反射，并通过聚焦透镜组聚焦在加工物体的表面上，形成一个个细微的、高能量密度光斑。焦斑位于待加工面附近，以瞬间高温熔化或气化被加工材料。每一个高能量的激光脉冲，可以瞬间把物体表面溅射出一个细小的孔。在计算机控制下，激光加工头与被加工材料按预先绘好的图形进行连续相对运动打点，从而把物体加工成想要的形状。切割时，由切割头喷出一股与光束同轴的气流，将熔化或气化的材料由切口的底部吹出（注：如果吹出的气体和被切割材料产生热效反应,则此反应将提供切割所需的附加能源；气流还有冷却已切割面、减少热影响区和保证聚焦镜不受污染的作用）。

2 三种切割方式综合比较（火焰、等离子、激光）

主要从切割板厚、切割精度、切割速度等方面进行比较，分别如图2、图3和图4所示。

从上述比较图示可知，每种切割方式针对不同板厚、不同工艺条件，所体现的加工能力不同。比如，在切割50mm以上低碳钢板时，等离子和激光切割由于受技术条件限制，正常情况下较难实现切割加工，但火焰切割可以实现。对多数工程机械行业来说，所用板材产量较大的仍主要以1～30mm低碳钢板材为主，这个时候，等离子和激光切割就体现出一定的优势。表1是火焰、等离子和激光切割的简要综合比较，能直观判断优劣势。

图2 可能切割的板厚比较

图3 切割速度比较

图4 切割精度比较

3 激光切割在中厚板加工中的优势

由于激光切割光斑小、能量密度集中、切割速度较快，所以在中厚低碳钢板的加工中，体现出很多优势。

（1）激光切割产生的烟尘、熔渣、挂渣较少，特别是熔渣和挂渣几乎没有，容易清理。不需要后道工序去除毛刺和打磨作业，降低了劳动强度，减少了环境和噪音污染。

（2）切割时，板材产生的热变形较小，部分板材可以不用再校正。

（3）由于切割缝隙较小，容易实现精细套料切割和共边共缝切割，提升了材料利用率和生产效率。

（4）激光切割加工精度高，可以部分替代螺栓孔、槽孔的加工，从而减少工序、降低加工成本；

（5）结合自动化上下料，更容易实现智能化加工。

表1 切割方式的综合比较

4 结束语

随着《中国制造2025》和智能制造的推进，激光切割加工技术在企业生产中将扮演越来越重要的角色。但气割、等离子切割、激光切割等热切割技术都在不断更新发展，这几种切割技术应用的范围和场景也在不断变化，企业在实际选择应用时，可根据企业自身发展和生产工艺的需要来综合考虑，根据不同的工艺对象选择不同的切割方式，从而高效能实现在切割加工方面的生产运营。