基于桌面型激光切割机的激光切割工艺研究

张峻崧 田明洁 罗文滔 曾楷煜 何家辉 文小燕

（1.西南交通大学机械学院，四川 成都 611756；2.西南交通大学工程训练中心，四川 成都 611756）

0 引言

近十年激光加工技术的应用和发展已完全证明了激光加工技术是对传统加工技术的一次革命。激光加工是利用聚焦后具有很高的能量密度的激光束，与被加工材料产生光热效应来完成加工的一种特殊加工方式。 激光加工不需要刀具，加工速度快，对材料的热影响区小，表面变形小，可对多种材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。与传统加工技术相比，激光加工技术具有节约材料、生产成本低、对加工对象具有很强的适应性等优势。

2017年西南交通大学工程训练中心引入了多种激光加工设备、建设了激光加工平台，用于教学、竞赛和课外创新活动中。在近两年的加工实践中，出现加工质量不能满足实际需求的情况，尤其是竞赛和课外创新实践活动中有对精度要求较高的零件时，往往加工质量达不到要求。例如用桌面型切割机进行非金属厚板切割时，出现切面有斜坡、小孔圆度不够、尺寸精度不够等情况。这就需要对切割加工进行深入研究，探索改进加工工艺，以提高加工质量，更好地为教学、竞赛和课外创新活动服务。

1 激光切割加工的主要质量问题

1.1 切割加工精度

激光切割的加工精度是由设备性能、光束品质、加工现象等决定的整体精度。加工精度包括定位精度等静化精度和由加工形状（随加工速度变化）表示的轨迹精度，即动化精度。光束品质确定的精度受照射光束的圆度、强度分布不均以及光轴紊乱的影响。加工现象决定的精度与氧化反应热混乱产生的异常燃烧、热膨胀、切割面粗糙等被加工物的物性有关系。

1.2 切割面垂直度

切割过程中，随着被加工点远离光束焦点，激光束变得发散，根据焦点的位置，切割朝着顶部或者底部变宽，切割边缘偏离垂直线，导致切割面与材料表面不垂直，有一定的坡度。切割边缘越垂直，坡度越小，切割质量越高。

1.3 切割面的粗糙度

切割面粗糙度的高低是衡量激光切割表面质量的关键。切割过程中，切割面会形成垂直的纹路，纹路的深度决定了切割表面的粗糙度，越浅的纹路，切割断面就越光滑。粗糙度不仅影响边缘的外观，还影响摩擦特性，大多数情况下，需要尽量降低粗糙度。

1.4 切割轮廓转角加工能量过大

在切割过程中，切割头的速度会随着切割轮廓的变化而变化，尤其是在转角处，切割头有明显的停顿。这导致在转角处切割加工能力过大而烧蚀材料，导致切缝变宽、尺寸精度下降及切割面粗糙。

2 激光加工工艺改进方法与实验

该文中所有问题分析、工艺方案与实验均针对桌面型激光切割机，其激光器为60W的CO2激光器，光路结构为飞行光路，切割头聚焦镜焦距50.8mm。

2.1 切割面的垂直度

在进行激光切割时，所加工的成品切割面与材料表面的垂直度不够，存在坡度，笔者要减少或者消除这种坡度带来的不良影响，首先就需要了解这种坡度的形成机理。

在切割非金属材料时，切口壁几乎没有激光反射，焦点位置下方的切口形状随激光束的扩展而膨胀，但随着板厚方向输出能量的减弱，切口宽度会变窄，如图1所示。为减少切缝宽度，笔者可以通过改变焦点位置或者优化光束的扩散角和能量密度来实现。表1展现了在功率P=75%，切割速度V=6mm/s时，通过改变离焦量z来切割厚度为6mm亚克力板（40mm×40mm）时得到的数据，如表1所示。

图1 非金属切割的切口形成机理

从该实验测量所得数据可知，随着焦点偏移量的增加，切割坡度呈现先减少后增大的趋势，且最小坡度位于离焦量z区间（-2，-1），如图2所示。

图2 不同离焦量对切割坡口的影响

另外一种方法是优化光束的扩散角和能量密度，扩散角优化的方法有很多，例如在切割对象（非金属材料）表面上再加上1块开缝的金属板，其内壁反射的光束可以用于切割，可以达到稳定切割坡度的目的[1]。

2.2 切割表面质量

比较理想的切割表面应该是光滑、纹路少且没有脆性断裂。影响切割表面质量的因素主要有切割速度和激光功率2个方面。

2.2.1 切割速度对表面加工质量的影响

对给定的激光功率密度和材料，激光加工设备的手册上给出了切割速度的范围，在一定范围内提高激光加工的功率密度，可以加快切割速度。在保证材料有较好的表面质量的情况下，切割速度与激光加工的功率成正比，与材料的厚度成反比。当切割速度太低时，激光束与被加工材料作用的时间变长，激光束入射到材料表面的能量增加[2]，热影响区变大导致上方切缝较大，激光束在6mm的宽度中发散，到下表面时能量仍足够融化亚克力板，导致下方切缝更大，表面质量差。切割速度适当提高后使经6mm高度上发散后的激光束刚好能切开下表面，此时切口质量最好，切口表面粗糙度降低，切缝变小，同时亚克力板的焦糊也变少。以下是笔者针对不同切割速度以0离焦量、75%激光器功率，使用6mm亚克力板切割40mm×40mm正方形，整理出来的数据以及拟合的切割速度与形成的坡口质量之间的关系，如表2。

表2 不同切割速度对应的上下表面坡口大小（单位：mm）

采用不同速度切割得的材料如图3所示（从左到右速度分别为3mm/s~8mm/s）。在一定速度范围内，速度较慢时，由于能量过大导致加工表面存在缺口以及光滑度不高、透光差等问题，随着速度提高，光滑度、透光性均提升，且缺口变少。

图3 不同切割速度下的切割表面质量

由上可看出激光加工存在某一理想速度阈值，越接近该速度阈值，加工质量越好。据笔者实验得出，P=75%z=0时的速度阈值点约在8mm/s处，大于9mm/s材料切不透，在小于7mm/s时由于激光走刀慢导致能量集中，材料表面热影响区变大，激光发散更为严重，造成坡口较大，如图4所示。

图4 不同切割速度对坡口的影响

2.2.2 激光功率对工件切割质量的影响

激光束功率过小，导致切不透或切口表面粗糙，并且加工速度慢。但是激光功率也不能过大，随着激光功率的增大割缝宽度逐渐增大。功率增大导致热影响区变大，融化更多的材料因此使切缝增大。而随着功率的增加表面粗糙度先减少后增大[3]。因此对不同材料不同厚度的工件需要选择一个最佳加工功率。以下是笔者用6mm亚克力板切割40mm×40mm正方形时得到的坡口数据，如表3。

表3 不同功率对“T”形坡口的影响（单位：mm）

采用不同功率切割得得材料如图5所示（从左到右功率分别为45%~90%）。在一定功率范围内，加工表面纹路先减少后增加，透光性和光滑度先提高后降低，速度较慢时，功率大约在65%~75%时，可获得较理想的表面加工质量。

图5 不同切割功率下的切割表面质量

由以上曲线可以看出切割6mm亚克力板v=8mm/s时选择功率区间为70%~80%可获得较好的加工质量。功率为 75%时加工质量最好。当功率大于80%会出现烧糊，激光功率过大导致热影响区过大使表面质量变差，坡口变大，小于60%时激光光束能量不够，到达下表面时因为发射一定的角度导致未能到达材料的熔点而切不透，如图6所示。

图6 不同切割功率对坡口的影响

2.3 切割转角处切割能量过大

利用激光技术可以切割各种类型的材料，与传统切割方法相比，激光切割速度快，热影响区小，但是激光光束的能量高度集中，在切割过程中，由于激光的切割工艺流程，在转角处存在速度变化，易产生切割能量过大而出现材料碳化的现象，尤其是切割木材。

激光切割木材有2种不同的基本机制，即瞬间蒸发和燃烧。在切割过程中采用何种机制取决于激光功率密度值的大小，若功率密度足够大就可获得瞬间蒸发的切割效果，而这也是较为理想的切割机制，切面不产生炭化。若激光的功率不足，则会形成燃烧机制的切割，这是一种不理想的状态，切割速度慢，切割所消耗的能量也比蒸发机制大2~4倍，且切边有炭化现象产生[4]。但在实际的激光加工木材的过程中，由于激光光束照射过程中受到激光输出功率或光束模式等因素的影响，燃烧过程会伴随着大多数蒸发机制的激光加工过程。

在分析了炭化的原因后，联系实际，在不更改设备的输出功率、光束模式等内部因素下笔者决定采用改变激光加工路径的方法来降低炭化的程度。实验过程中我们采用加工设备的推荐功率及速度进行实验，包括加工正方形、倒圆角之后的方形、引辅助线的方形3种方式，如图7。

图7 转角倒圆角或引辅助线处理

通过多次实验并比较实验结果笔者得出以下结论：激光加工转角处由于能量过多导致的炭化现象，在不改变仪器的情况下，采用倒圆角、引辅助线等方式可以有效降低炭化程度，具体实验结果如图8所示。

图8 不同切割工艺时转角的加工质量对比

3 结语

在对激光加工过程中出现的质量问题分析的基础上，笔者提出了改进措施，并通过实验进行了验证，主要结论如下。1）在激光切割的坡度问题中可以通过改变焦点偏移量解决，优化后的最小坡度位于离焦量z区间（-2，-1）。2）在激光切割转角时产生材料炭化问题上，在不改变设备0基本结构的条件下，可以通过改变激光的加工路径来降低炭化程度，主要包括倒圆角、引辅助线方式。3）通过实验可知激光加工存在某一理想速度阈值，越接近该速度阈值加工质量越好。据笔者实验得出，当P=75%、z=0时的速度阈值点约在8mm/s处，大于9mm/s材料切不透，在小于7mm/s时由于激光走刀慢导致能量集中，材料表面热影响区变大，激光发散更为严重因此造成坡口较大。切割6mm亚克力板时v=8mm/s时，选择功率区间为70%~80%可获得较好的加工质量。功率为 75%时加工质量最好。当功率大于80%会出现烧糊，激光功率过大导致热影响区过大使表面质量变差，坡口变大，小于60%时激光光束能量不够，到达下表面时因为发射一定的角度导致未能到达材料的熔点而切不透。