供稿|李召華，張保元，王春凈 / LI Zhao-hua, ZHANG Bao-yuan, WANG Chun-jing

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和傳統(tǒng)的切割方式相比，激光切割技術(shù)具有切割速度高、切割精度高、加工柔性好的特點(diǎn)，在板材切割加工中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。激光切割的過(guò)程復(fù)雜，影響因素多，如激光功率、焦點(diǎn)位置、噴嘴直徑及高度等，如果控制不當(dāng)，很容易出現(xiàn)明顯毛刺、燒蝕、切割面粗糙等質(zhì)量問(wèn)題，無(wú)法滿足實(shí)際加工需求。要防止或者減少激光切割質(zhì)量問(wèn)題的出現(xiàn)：在切割前，要根據(jù)板材的材質(zhì)和厚度來(lái)設(shè)置相關(guān)工藝參數(shù)；在切割中，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，分析并找出導(dǎo)致質(zhì)量問(wèn)題的因素，調(diào)整相關(guān)工藝參數(shù)，來(lái)改善加工質(zhì)量。

激光切割是用經(jīng)過(guò)聚焦的高功率密度激光束照射材料，光束輸入的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被材料反射、傳導(dǎo)或者擴(kuò)散的部分，這種熱量使被照射處的材料快速的熔化、汽化，與此同時(shí)，與光束同軸的高速氣流從切割頭噴出，將熔化或者汽化的材料從切口的底部吹出，隨著切割頭和被切材料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，生成切口，從而實(shí)現(xiàn)切割材料的一種熱切割方法。

切割方法有很多種，如氧氣切割、氧-乙炔切割、鋸割等，和這些切割方法相比，激光切割技術(shù)具有切割速度高、切割精度高、加工柔性好等特點(diǎn)，因此，在航空航天、汽車輪船、機(jī)械制造、家用電器制造等各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

然而激光切割過(guò)程復(fù)雜，影響因素多，如果控制不當(dāng)，無(wú)法滿足實(shí)際加工需求。影響激光切割的因素有很多，是影響激光加工性能的各主要因素。加工質(zhì)量的提高，離不開(kāi)對(duì)這些要素的優(yōu)化。

激光功率的影響

激光功率是直接影響加工材料熔融能力的參數(shù)。通過(guò)加大激光功率能夠使切割的速度更快，能夠切割更厚的工件，能夠切割鋁合金等高反材料(即具有高反射率的材料)。

在切割過(guò)程中，切割功率選擇的是否合適，可以根據(jù)切割之后切割面的狀態(tài)判斷。功率大于最佳值時(shí)，切縫周圍的熱影響區(qū)會(huì)變大，尖角部分會(huì)出現(xiàn)被熔掉的現(xiàn)象。另外，切割面上拖曳線的間距也會(huì)變大，且從上部到下部呈直線狀。功率小于最佳值時(shí)，切割面的下部粗糙度會(huì)明顯變差，掛渣又多且硬，去除很困難。

功率為最佳值時(shí)，切割面上拖曳線的間距會(huì)非常小，下部相對(duì)于加工的行進(jìn)方向?qū)⑸猿蕼鬆顟B(tài)，對(duì)切縫周圍的熱影響也為最小，尖角部被熔掉的現(xiàn)象也比較少。

切割功率選擇的是否合適，可以根據(jù)切割過(guò)程中火花的濺射狀況判斷。在切割過(guò)程中，從加工材料的下部濺射出的火花的狀態(tài)直接受切縫內(nèi)熔融金屬的流動(dòng)狀況影響。如果功率合適，從加工材料下方濺射出的火花是直線、稍滯后、纖細(xì)等形貌；功率設(shè)定不當(dāng)時(shí)，在切割過(guò)程中從材料的下部濺射出的火花將表現(xiàn)為擴(kuò)散、與切割行進(jìn)方向呈反向滯后、變粗等形貌。

焦點(diǎn)位置的影響

相對(duì)于加工材料的表面而言，激光束聚焦后，焦點(diǎn)所在位置稱為焦點(diǎn)位置。焦點(diǎn)位置對(duì)切縫的寬度、坡度、切割面的粗糙度、熔渣的黏著狀態(tài)、切割速度等幾乎所有的加工參數(shù)都會(huì)產(chǎn)生影響。這是因?yàn)殡S著焦點(diǎn)位置的變化，照射在加工材料表面的光束直徑和射入加工材料的入射角產(chǎn)生變化，這會(huì)影響到切縫的形成狀態(tài)及切縫內(nèi)光束的多重反射狀態(tài)。這些切割現(xiàn)象又會(huì)對(duì)切縫內(nèi)的輔助氣體、熔融金屬的流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響。

把焦點(diǎn)在加工材料表面上的狀態(tài)設(shè)為Z=0，此時(shí)，可以在加工材料表面得到最大的能量密度，熔融范圍比較窄，可進(jìn)行高精度加工。不論焦點(diǎn)位置是向上移還是向下移，上部的切縫寬度都會(huì)變寬。這一變化在使用不同焦距的加工透鏡時(shí)也存在同樣傾向。焦點(diǎn)位置處的光束直徑越小以及短焦距透鏡焦點(diǎn)深度越小，則上部切縫隨焦點(diǎn)位置的變化而變化的幅度就會(huì)越大。

噴嘴直徑及高度的影響

噴嘴的直徑?jīng)Q定著熔化、燃燒的可限制范圍，以及噴射于加工部位的輔助氣體流量。噴嘴孔的直徑大小必滿足光束順暢通過(guò)的要求。噴嘴直徑過(guò)小，光束會(huì)被噴嘴口截射，導(dǎo)致切割速度慢，還會(huì)導(dǎo)致粗糙的切削表面；噴嘴直徑過(guò)大，會(huì)使切縫過(guò)寬。

噴嘴高度是指被加工板材表面和噴嘴口之間的距離。噴嘴高度過(guò)高時(shí)，容易造成能量損失，從而出現(xiàn)切不透的現(xiàn)象。而噴嘴高度過(guò)低時(shí)，會(huì)影響切割時(shí)濺射物質(zhì)的驅(qū)散能力，也可能使板材變形或者造成切割頭損傷。比如，在噴嘴高度較低的情況下切割圓孔時(shí)，產(chǎn)生的膨脹物和噴嘴接觸，使圓孔變形，造成加工缺陷，故需要注意。因此，在切割加工時(shí)，要設(shè)置合理的噴嘴高度，一般設(shè)置噴嘴高度為1～2 mm。在板材表面不是很平整的情況下，不同部位的加工高度略有不同，依靠激光設(shè)備自帶的隨動(dòng)系統(tǒng)，可以小幅度自行調(diào)節(jié)噴嘴高度。

輔助氣體類型及壓力的影響

材料切割時(shí)，都要采用輔助氣體。選擇什么樣的輔助氣體以及氣壓的高低對(duì)激光切割效率和質(zhì)量有很大影響。

輔助氣體通?？刹捎醚鯕?、氮?dú)狻⒍栊詺怏w或壓縮空氣等，氣體的種類將影響到加工質(zhì)量與加工能力。

在以氧氣為輔助氣體的金屬切割中，氧氣起著對(duì)加工材料燃燒的助燃，以及把熔融金屬?gòu)莫M窄的切縫內(nèi)高效排出的作用。在碳鋼材料的厚板切割中，主要利用氧氣燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱能進(jìn)行切割，能使切割過(guò)程加速，提高了切割能力，但是其缺點(diǎn)是因?yàn)榍懈蠲娈a(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成一層氧化膜。

在用氮?dú)饣蚩諝鉃檩o助氣體的金屬切割中，輔助氣體的作用就是把因激光束照射而熔化的金屬?gòu)那锌p的上部推向下部，進(jìn)而從加工部的背面排出，防止在背面掛渣。

氣體類型不同，切割的效果和速度不同。一般來(lái)說(shuō)，氧氣的切割速度最快，氮?dú)獾那懈钚Ч詈?，空氣的切割成本最低?/p>

當(dāng)被加工零件的材質(zhì)、板厚不同時(shí)，所需要輔助氣體的壓力條件也不同。切割鋁材時(shí)，利用空氣作為輔助氣體，氣壓越高，沾渣就越少。使用氮?dú)鉃檩o助氣體的不銹鋼，無(wú)氧化，切割也有相同的傾向，氣壓越高，沾渣就越少。碳鋼厚板切割中使用氧氣為輔助氣體，壓力偏低時(shí)，沾渣量就增加，壓力偏高時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)燒損。用氧氣為輔助氣體切割不銹鋼時(shí)，因?yàn)楦间撓啾?，氧化的熔融狀態(tài)的金屬的黏性更高，使用的氣壓也比碳鋼切割時(shí)的氣壓更高?？傊?，無(wú)論對(duì)哪種材料切割加工，一般情況下，氣壓越高，切割速度會(huì)越快，而當(dāng)氣壓達(dá)到某個(gè)值的時(shí)候，氣體會(huì)對(duì)激光作用區(qū)產(chǎn)生干擾作用，切割速度反而會(huì)變慢。

與加工材料相關(guān)的要素

板材的材質(zhì)和厚度會(huì)影響到激光能量的消耗。材料的表面狀況會(huì)影響到激光束吸收的穩(wěn)定性，而加工形狀又會(huì)影響到熱量的擴(kuò)散。

材質(zhì)：材料不同，性能不同，對(duì)激光束的吸收率也不同。因此，不同的材料具有不同的激光切割適應(yīng)性。在激光切割加工的時(shí)候會(huì)看到光斑在工件上快速移動(dòng)，光斑越小說(shuō)明切割的質(zhì)量越好。例如，銅、鋁等具有高反射率的材料就不利于光斑的形成，對(duì)切割機(jī)的要求更高。

厚度：隨著板材厚度的增加，所需要的激光功率越來(lái)越大，而需要的切割速度越來(lái)越低。對(duì)厚板加工時(shí)，如果功率不夠，切割速度過(guò)快，就不容易切透。

表面狀態(tài)：同種材質(zhì)，表面狀態(tài)不同，對(duì)光束的吸收也不同，特別是表面粗糙度和表面氧化層都會(huì)影響表面吸收率。一般來(lái)說(shuō)，材料表面越平整，切割的質(zhì)量越好。在激光切割過(guò)程中，要想提高材料的切割性能，可通過(guò)改變材料表面狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

結(jié)束語(yǔ)

影響激光切割的因素有很多，如激光功率、焦點(diǎn)位置、噴嘴直徑及高度等，如果控制不當(dāng)，很容易出現(xiàn)明顯毛刺、燒蝕、切割面粗糙等質(zhì)量問(wèn)題，要防止或者減少這些質(zhì)量問(wèn)題的出現(xiàn)，在切割前，要根據(jù)板材的材質(zhì)和厚度來(lái)設(shè)置相關(guān)工藝參數(shù)，在切割中，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，分析并找出導(dǎo)致質(zhì)量問(wèn)題的因素，調(diào)整相關(guān)工藝參數(shù)，來(lái)改善加工質(zhì)量。