激光切管机切割质量影响因素分析

文/周鹏飞，林峰，张小卫·江苏扬力数控机床有限公司

导 语

影响激光切管机切割质量的因素有很多种，本文只是在理论学习的基础上，结合自身的经验，从切管系统的固有特性、激光切管工艺以及被切割管材的特性等方面进行分析，具体针对切管机卡盘的选择、切割系统的选择、托料部件的选择、辅助气体的选择、管材材质、被切割管材厚度等影响因素加以分析，进而提高切管质量。

激光切管机如图1所示，其工作原理与平面激光切割机原理相似，都是通过聚焦高密度、高功率的激光束，照射在被切割管材的表面上，在极短时间内将激光光斑区的温度升高到被切割管材的熔点或者沸点，使得被切割管材表面迅速熔化或汽化，从而完成管材切割工作。当激光光斑沿着所设定的切割路线移动时，光斑不断地与被切割管材相互作用形成割缝，切割过程中还需要各种辅助气体进行吹渣、冷却和助切等。

图1 激光切管机

切管系统的固有特性对激光切割质量的影响

卡盘选择对切割质量的影响

一台好的激光切管机必然有着高品质的卡盘组合，优秀的卡盘组合对切管机的上料、加工、下料等过程都有着决定性的影响，现在市场上的卡盘厂家有很多，每家都有每家的特色，而一套优秀的卡盘组合，必然有着能够出色地保证重复夹持精度的能力，这样才能保证每次夹持的管材精度都在可控范围之内。现在大多数激光切管机的厂家，都会选择有着两个卡盘及其以上卡盘数量的产品，其中包括两卡盘、三卡盘以及四卡盘等，都是现在激光切管机市场的主流选择趋势。

切割系统选择对切割质量的影响

切管机厂家选择了适合自家产品的卡盘组合，相当于有了完美的硬件，而要让硬件充分发挥其作用，就需要适合的软件辅助，如优秀的管材切割系统。现在市场上比较热门的管材切割系统有柏楚、西门子、倍福等企业研制开发的切割系统，因为激光切管机与平面激光切割机略有不同，除了常规的X、Y、Z轴，同时增加了两个卡盘的同步旋转轴，而一些激光切管机的切割系统也会增加额外的辅助轴，以此来保证在切割管材的整个过程中，卡盘组合夹持管材，而辅助轴可以保持管材在切割旋转过程中不停地跟随，从而保证在切割的整个过程中被切割管材不会出现下垂的现象，提高管材的切割质量。

切管工艺参数对激光切割质量的影响

托料部件选择对切割质量的影响

现在市场上的管材基本长度都在6000mm及其以上的长度，这就使得管材很容易在装夹与切割过程中出现下垂与旋转摆动的现象，极大地影响了切割精度。

为了解决这一问题，激光切管机厂家开发出了三卡盘激光切管机，有的甚至不断地对四卡盘切管机进行深入探索，虽然三卡盘激光切管机与四卡盘激光切管机无论是从尾料的长度、切割的精度、配合自动化上下料部分等方面，都有着良好的发展前景，但选择了三卡盘与四卡盘的激光切管机，则要比传统的两卡盘激光切管机增加了一个及以上的卡盘和更多的电机减速箱组合，同时也需要更加高端复杂的激光切管机切割系统进行操作，而这些都预示着制造成本的增加。

所以大部分激光切管机厂家在优化管材在装夹与切割过程中出现下垂与旋转摆动的现象时，同时考虑整个产品的经济性，最终选择两卡盘激光切管机的方案。在前后卡盘之间增加托料部件，如同激光切割机的工作台，可在装夹与切割全过程中一直跟随托举被切割管材，使之在整个切割过程中不会出现下垂与旋转摆动，大大提高了管材的切割精度，同时与自动上下料与半自动上料的适当搭配有了更多的可能性。

为了提高长管材的切割下料精度，一般在靠近切割头的卡盘前面还会同样增加一个托料部件，这样在长管材下料时，会在已经切割完成的最前端不停地跟随托举，从而保证整个长管材在切割下料过程中不会出现下垂，以此来提高长管材的切割下料精度。

辅助气体选择对切割质量的影响

激光切割机在工作时，会将激光束进行透镜聚焦后形成的光斑照射在被切割材料表面，使其在极短时间内温度升高，从而达到被切割材料的熔点或沸点。而在切割过程中，被切割材料的表面可对激光进行一定的反射，切割时可喷吹辅助气体以提高被切割材料表面对激光的吸收，提高切割效率。辅助气体一般采用氧气、氮气、压缩空气以及其他惰性气体。

使用氧气作为辅助气体，是因为氧气会促进被切割管材表面发生氧化反应，从而提高了切割效率。当激光切割功率与切割速度一定时，氧气压力越大，割缝越大，切割断面条纹就会粗而大；而当降低氧气压力时，割缝变细，切割断面条纹细且光滑，但当压力降到一定值时，就会出现管材单面切割效果显著但同时出现挂渣现象，挂渣掉落到对面会影响整个切割精度，有时甚至会出现很难切断被切割管材的情况。而当切割高厚度管、异形管或者特殊材质的管材时，则需要用氮气及其他惰性气体作为辅助气体。结合被切割管材的金属及物理特性，为了控制成本而不影响整体切割效率，可选择压缩空气作为辅助气体。

被切割管材的物理特性与化学特性对激光切割质量的影响

通常来说，不同的被切割管材有着不同的物理特性与化学特性。物理特性方面，如被切割管材在硬度、熔点与沸点的大小以及是否易熔化等方面的能力各不相同，而在化学特性方面，如被切割管材在可燃性、稳定性、氧化性、助燃性等方面的区别也很大，这就使得不同的被切割管材对卡盘大小、辅助气体的种类与压力大小以及激光切割功率大小等要求都不一样。正常情况下，被切割管材厚度越大，则需要更高的激光切割功率。而在切割特殊材质的管材如铝管、铜管、不锈钢管，甚至一些抗氧化性能极好材质制成的管材，以及特殊形状的管材如异形管、H型钢、槽钢、角钢时，对激光切割的功率大小、辅助气体种类的选择、卡盘自身的性能也有着不同的要求。而在切割加工加长加重管件，除了考虑激光功率与辅助气体以外，还要考虑托料部件的选择来保证整个切割加工精度。

结 束 语

通过对上述影响激光切割管材质量因素的分析，可以尽量保证激光切割管材加工质量。也使得激光切管机的生产厂家可以在考虑市场行情的情况下，从客户的实际需求出发，生产出能够满足客户加工要求的先进激光切管机。而对于广大的激光切管机用户而言，选择高性价比的、具有最佳激光切管系统与激光切管工艺参数的激光切管机，就能很好地保证生产的管材产品具有很高的加工精度。