关于对激光切割工艺的研究与探讨

孙鹏

【摘 要】金属切割是现在生产加工过程中常见的工艺，并且现在已经取得了较快的发展，也有多种切割加工方法，比如激光切割、水切割、天然气切割等。在这些切割工艺中激光切割可以利用高能量密度的激光束加热工件，使工件在短时间内达到沸点实现金属切割，并且切割过程中具有切缝较窄、工件产生的物理变形较小、对切割工具无损伤等优点，因此在金属加工过程中较为受欢迎。近几年，随着激光技术的不断进步，其在金属切割中的应用也在不断增加，也进一步提供了金属加工的效率和质量。本文针对德国通快和瑞士百超的激光机进行了介绍，同时针对在加工过程中的工艺问题和处理方法进行了介绍，希望能够进一步提升金属切割的工艺效果。

【关键词】激光机;金属切割;工艺问题

引言

金属切割过程中往往会因为切割设备与金属之间的剧烈接触，使工件产生较大的变形和切割缝隙，这样会给工件的加工和使用带来诸多的不便。而随着现代科技的发展，激光切割、等离子切割、水切割等技术得到了快速的发展，现在这些新型的切割工艺已经应用在了实际的生产之中，并且产生了较好的效果。新的切割形式是通过将较高的能量聚集在较窄的空间中释放出来，以达到可以对金属进行加工的目的。而激光切割凭借着其经济型和可靠性的优势，现在在金属的生产加工过程中得到了极为广泛的应用。目前德国通快和瑞士百超的金属切割激光机已经可以实现对厚度为0.3～25mm的碳钢的切割和16mm以下的有色金属板材的切割，基本能够满足金属加工过程中的需求。当然，现在的金属激光切割工艺仍然不够完善，还需要我们在不断的生产和使用过程中进一步改进。

一、激光切割的介绍

激光切割是一种高能量密度、可控性好的无接触式加工工艺，在进行切割的过程中，激光机能够将高能力的激光光束聚集在小于0.1m2的区域，并且在该区域内，光束的功率密度可以超过107W～108W/cm2。获得高能量照射的金属会在瞬间提升温度，直至出现气化的现象。并且当激光机光束的照射随运动轨迹不断移动时，金属就会被切割开。当然，在进行切割的过程中还会有其他的物质参与，比如辅助性气体可以加快材料的升温过程，同时还能够避免融化的金属杂质附着在金属表面，一般在进行金属切割时往往使用氧气作为辅助性气体。德国通快和瑞士百超的激光切割机现在较为先进，以通快的激光切割机为例，其可在无模具的条件下，切割出不同形状大小及各种精度要求的产品，切割精度可达±0.02，特别适合于为客户提供小批量多品种的业务需求，此设备具备精度高、速度快、适用范围广，外观精美等特点。

二、激光切割的参数及影响

1、离焦量

离焦量指激光光点与被切割工件之间的距离，焦点位置往往会对切割的宽度、坡度以及断面的粗糙程度产生一定的影响。焦点位置的选取对不锈钢板切割质量有重要影响。当焦点位置滞后时，切割材料下端单位面积所吸收的能量减少，切割能量削弱，导致材料不能完全熔化被辅助气体吹走，以致未完全熔化的材料附着在切割板材下表面，呈前端尖锐且短小的沾渣。

2、辅助气体气压

在进行金属材料切割时，往往会选择氧气作为辅助气体，一方面能够增加表面温度的提升速度，另一方面能够除去切割过程中产生的金属残渣。同时当切割口处的温度过高时，还能够对切割机透镜产生一定的保护作用，防止高温对透镜的损坏。当然辅助气压也会对切割质量产生影响，当辅助气压过高时，工件表面会形成涡流，这样利用气压去除表面杂质的作用就会被削弱，使工件表面附着一层金属残渣。反之，如果气压过低，则无法达到辅助升温的效果，更无法起到去除残渣的作用。

3、切割速度

切割速度对不锈钢板切割质量有很大影响，理想的切割速度使切割面呈现较平稳线条，且下部无熔渣产生。若切割速度过快，会导致钢板无法切透，并引起火花飞溅。下半部产生熔渣;若切割速度过慢，则容易造成材料过熔，切缝变宽，热影响区增大，甚至引起过烧。工件所允许的最大切割速度可以根据能量守恒和热传导进行估算。

4、切割功率

切割功率也是影响切割质量的关键因素之一，激光切割所需要的激光功率主要取决于切割板料厚度以及被切材料的性质。气化切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧气切割最小。激光功率对切割厚度、切割速度、切口宽度等有很大影响。一般激光功率增大所能切割材料的厚度也增加，切割速度加快，切口宽度也有所加大。

三、激光切割中常见的工艺问题及处理方法

1.切割加工小孔（直径小与板厚）变形情况的分析

这是因为机床（只针对大功率激光切割机）在加工小孔时不是采取爆破穿孔的方式，而是用脉冲穿孔（软穿刺）的方式，这使得激光能量在一个很小的区域过于集中，将非加工区域也烧焦，造成孔的变形，影响加工质量。这时我们应在加工程序中将脉冲穿孔（软穿刺）方式改为爆破穿孔（普通穿刺）方式，加以解决。而对于较小功率的激光切割机则恰好相反，在小孔加工时应采取脉冲穿孔的方式才能取得较好的表面光洁度。

2.激光切割低碳钢时，工件出现毛刺的解决方法

根据CO2激光切割的工作和设计原理，分析得出以下几点原因是造成加工件产生毛刺的主要原因：激光焦点的上下位置不正确，需要做焦点位置测试，根据焦点的偏移量进行调整;激光的输出功率不够，需要检查激光发生器的工作是否正常，如果正常，则观察激光控制按钮的输出数值是否正确，加以调整;切割的线速度太慢，需要在操作控制时加大线速度;切割气体的纯度不够，需要提供高质量的切割工作气体;激光焦点偏移，需要做焦点位置测试，根据焦点的偏移量进行调整;机床运行时间过长出现的不稳定性，此时需要关机重新启动。

3.激光切割加工不锈钢和铝锌板时，工件有毛刺产生的分析

以上情况的出现，首先考虑切割低碳钢时出现毛刺的因素，但不可简单地加快切割速度，因为增加速度有时会出现板材切割不穿的情况，此种情况在加工敷铝锌板时尤为突出。这时应综合考虑机床的其他因素加以解决，如喷嘴是否要更换，导轨运动不稳定等。

4.激光未完全切割透状态的分析

分析后可以发现下面的几种情况是产生加工不稳定的主要情况：激光头噴嘴的选择与加工板厚不匹配;激光切割线速度过快，需要操作控制减小线速度;喷嘴感应不准导至激光焦点位置误差过大，需重新检测喷嘴感应数据，特别是在切割铝材时最容易出现。

5.切割低碳钢时出现非正常火花的解决方法

这种情况会影响零件的切割断面光洁度加工质量。此时在其他参数都正常的情况下，应考虑以下情况：激光头喷嘴的损耗，应及时更换喷嘴。在无新喷嘴更换的情况下，应加大切割工作气体压力;喷嘴与激光头连接处螺纹松动。此时应立即暂停切割，检查激光头连接状态，重新拧紧喷嘴。

结束语

金属切割是金属加工工业的必要环节，但是在进行切割的过程中往往会产生较大的金属形变，给后续的加工和处理带来较多的麻烦。为了能够进一步改进金属的加工工艺，激光切割在这个行业中受到了广泛的重视。通过大量的切割工艺实验，对激光切割的了解将会更加深入，并且在相关参数的改进和提升方面也会得到进一步的提升，对激光切割的准确度和效率将会有质的提升。

参考文献：

[1]王德仓，辛立军.激光高速切割工艺对薄板切割质量的影响[J].热加工工艺，2018，47（3）：249-251.

[2]孙加强，焦俊科，张文武，等.基于ABB机器人的光纤激光切割与焊接系统研究[J].应用激光，2014，34（6）：584-588.

（作者单位：中车大同电力机车有限责任公司）