大功率激光切割工艺的应用

文/周政敏，刘艳明，侯艳森

（广东鑫源恒业电力线路器材有限公司，广东清远 511600）

2020年6月，国家发改委明确“新基建”范围，提出“以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系”的目标。其中“特高压”是新基建中的重点项目。电力金具是输配电中重要的组成部分，能够连接和组合电力系统中的各类装置，起到传递机械负荷、电气负荷及某种防护作用的金属附件。连接类金具是电力金具中需求量最大、品类最多的产品，其中联板类产品是金具中最重要的产品之一。采用更加先进的智能化生产工艺，对解决联板类电力金具产品生产产能瓶颈、减少生产能耗、提高原材料利用率、提高生产质量、减少生产成本，都有着重要的意义。

1.特高压输电线路对联板类电力金具技术的要求与解读

1.1 基本要求

特高压联板材料抗拉强度不低于500MPa。联板的挂点孔不允许使用套筒焊接，悬垂线夹在垂直导线的平面内，自由摆动角度不小于±15°；对于八分裂线路用V形串，摆动角度不小于48°。悬垂线夹能在垂直导线的平面内自由摆动±40°。

1.2 质量控制要求

联板类金具是主要的受力结构件，其连接受力孔多，形状复杂，要求孔位准确，切割表面光洁。金具零部件开孔错误、有缺口及缺材、正常视力可见的气孔与疏松等缺陷的应报废，杜绝堵焊、补焊。

1.3 传统工艺的缺点

目前较多采用的生产工艺为：火焰切割（等离子切割）—打磨—钻孔（定位—钻孔—倒角）—压印—热镀锌。

火焰切割利用氧化铁燃烧过程中产生的高温来切割碳钢。火焰切割设备的成本低，但是切割面会产生倾斜角。孔作为重要受力部位，不能直接切割出来，需要钻孔工序，但是钻孔容易出现错位、漏钻等问题，导致产品报废。

2.大功率激光切割设备的应用

2.1 激光切割原理

激光切割是利用经聚焦后的高功率、高能量密度的激光束照射到要加工的板材上，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而将板材割开。

2.2 采用激光切割的联板生产工艺优化

采用激光切割，精度高，表面光洁度高，变形小，因此大部分产品可以将孔直接切割出来。工艺路线：激光切割—打磨—压印—热镀锌。

2.3 采用激光切割生产工艺的生产成本核算

采用激光切割生产工艺，其设备使用的成本计算结果如表1所示。

表1 设备使用成本计算表

2.4 采用激光切割生产工艺的生产效率

采用激光切割，减少了产品周转的次数，提升了切割效率，提升了钢板的材料利用率，尤其是对多孔的PT板、DB板，材料综合利用率提升了10%。工序链减少了2个重点工序，生产效率提升了35%。激光切割排版如图1所示。

2.5 采用激光切割生产工艺的生产质量

激光切割割缝小，切割面可以不需要打磨，在倒角后，可以直接热镀锌。采用激光切割生产工艺，切割变形小，切缝两边平行且与表面垂直，表面粗糙度低，斜口小；切割精度高，定位精度能达到0.05mm，重复定位精度可达0.02mm，杜绝了以往钻孔定位出现的偏差。通过对不同板厚的切割测量，笔者总结得出其精度偏差如表2所示。

表2 切割斜度偏差表

3.激光切割设备生产过程中的注意事项

3.1 设备采购

国产激光设备厂家很多，但是掌握关键技术的头部企业其实不多。大型设备的采购必须经过多种方式的调研考察和咨询。激光功率是决定工作效率和切割板厚能力的主要因素，因此，应按照实际生产需求选择激光功率，不能盲目选择大功率，因为功率越大，设备耗材、使用成本就越大。

工作台面的选择必须根据生产使用的实际情况来确定。为了提高工作效率，笔者建议采购交换工作台。

耗材是设备使用成本的主要组成部分，耗材是否通用、容易采购，也是设备采购的关键因素。

售后服务是选择设备厂家必须考虑的实际问题，尤其是大功率激光设备。设备价值高，维修、使用都是需要非常专业的技术指导才能完成的工作。优质的售后服务将为以后的设备使用减少很多烦恼。

3.2 设备使用和维护

镜片的维护：光学镜片表面应保证清洁，切忌用手或物直接接触，这样容易造成镜面划伤。生产过程中，镜面会经常沾有灰尘，会导致切削质量下降，甚至导致切割头温度超高、设备报警停机，工作人员应及时采用软绵纸加酒精对镜片进行擦拭，保证其光洁。不能有效改善或解除报警的，应及时更换保护镜片。

切割头的维护：切割头的中心与激光的同轴度是设备使用的重点检查点。切割头中心偏移会导致切割不透、排渣不畅、切割面粗糙等缺陷。

在更换切割头后，技术人员必须细心地调整喷嘴中心与激光的同心度，可以采用黏胶纸与切割头粘贴接触，再撕下查看粘贴纸与切割头接触痕迹的方式，检查切割头的同心度，反复调整，直至完全同心。另外，切割头在使用时容易沾有熔渍，严重时导致切削质量差，甚至不能切削、设备报警，应及时清理或者更换。

3.3 切割进给速度的选择

观察切割火花的形状，可判断进给速度是否合适：

（1）切割火花由上往下扩散的，且前后扩散均匀，切割面呈现较平稳线条，且下半部分无熔渍产生，速度适中。

（2）切割火花向后倾斜，切割速度过快，应调慢切割速度。

（3）切割火花呈现不扩散且火花较小，凝聚在一起，是功率过大或者速度太慢造成的，应将速度调快。

4.生产质量管理和后续工序处理

切割生产应遵循首检—巡检—终检的生产质量控制程序。对切割样品进行首检，能够及时发现产品编程尺寸的错误，及时纠正，可以预防出现大批量尺寸错误。巡检过程重点检查产品切割质量，预防因切割过程中割嘴、镜片、气压等关键指标出现异常，即使出现异常，也能够及时处理，从而保证产品质量的一致性。

激光切割机采用双轨三轴联动的精密控制方式，定位精度能达到0.05mm，重复定位精度可达0.02mm，完全杜绝了以往钻孔定位出现的偏差。

经过反复切割测量和实验，大功率激光（20000W）切割设备切割板厚在36mm～40mm时，斜角在0.25～0.31°；切割板厚在8mm～32mm时,斜角在0 °～0.15°。因此加工完成后，施工人员还应对孔边进行1×45°倒角。经过实验对比，其锥度和孔边对受力螺栓的剪切影响甚微。

产品完成切割后，施工人员应对产品周边进行打磨和冲砂处理，打磨掉切割刃面，而冲砂处理能有效减少切割毛刺、锈蚀等，有利于有序的热镀锌加工，且能提高产品镀锌后的锌层附着力。

5.结语

随着激光切割技术的成熟，大功率激光设备得到了推广，市场价格也明显下降，2万～3万瓦激光切割设备的出现，给我们提出了更先进的智能化加工的技术。

采用大功率切割工艺，能够有效提高生产效率，减少产品生产能耗，提高产品质量，减少生产成本，符合节能、绿色、高效、智能的现代化生产模式，可以切实提高联板类电力金具产品的生产效能、产品质量，缩短企业交货周期。