翟東升，鐘昇，胡金龍

(江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇揚(yáng)州225127)

隨著制造業(yè)及激光應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，激光加工已應(yīng)用于很多工藝領(lǐng)域，成為一種常用的金屬加工手段。從2011年中國國際工業(yè)博覽會(huì)(CIIF2011)之?dāng)?shù)控機(jī)床與金屬加工展覽會(huì)上可以看出，激光加工機(jī)床在金屬加工機(jī)床展品中占據(jù)了很大的比重，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，本屆展會(huì)上共展出用于金屬加工的數(shù)控激光切割機(jī)44臺。激光切割機(jī)之所以備受金屬加工領(lǐng)域青睞，得益于近10年來我國對激光切割應(yīng)用技術(shù)的研究。就加工金屬板材而言，采用激光切割工藝不僅可以節(jié)約昂貴的模具費(fèi)用，而且可以縮短加工周期。在產(chǎn)品更新周期越來越短的今天，激光切割工藝對新品開發(fā)，單件小批量生產(chǎn)和多品種輪番生產(chǎn)有著明顯的優(yōu)勢。鑒于上述優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)考慮激光切割工藝的特殊性，本文分析影響切割質(zhì)量的主要因素。

1 激光切割機(jī)特性對切割質(zhì)量的影響

1.1 激光發(fā)生器結(jié)構(gòu)

每個(gè)激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)不太一樣，CO2激光發(fā)生器市場上主要有兩種:高速軸流型(圖1)和三軸正交型(圖2)。高速軸流型激光光軸方向和激光氣體流動(dòng)方向一致，氣體流動(dòng)速度快，但是氣流不穩(wěn)定，容易發(fā)生搖動(dòng)，所以高精密度的加工很難;三軸正交型激光光軸方向、激光氣體流動(dòng)方向和放電方向相互正交，氣體流動(dòng)速度較低，氣流相對穩(wěn)定，激光輸出光束特性相對穩(wěn)定，但是由于電能產(chǎn)生的熱量高，所以，必須采用高性能的冷卻裝置[1]。從目前應(yīng)用來看，上述兩種激光發(fā)生器均能夠獲得很好的光束輸出質(zhì)量，滿足激光切割的要求。

1.2 激光發(fā)生器產(chǎn)生的模態(tài)

不同廠家生產(chǎn)的激光發(fā)生器產(chǎn)生的模態(tài)有所不同，圖3依次是不同激光發(fā)生器產(chǎn)生的TEM00，TEM01，TEM10光束模態(tài)圖形及相應(yīng)的能量分布示意圖。如果產(chǎn)生的模態(tài)不好的話，很難對加工材料進(jìn)行完全切斷，特別是厚板的切割。

圖3 光束模態(tài)圖形及相應(yīng)能量分布

通過大量的試驗(yàn)研究證明，TEM00模適合薄板的高速切割，TEM01和TEM10模適合薄板和中厚板的切割，TEM11和TEM20主要適合厚板的切割加工。所以目前市場上的激光切割機(jī)大部分以TEM01和TEM10為主。

1.3 激光切割機(jī)外光路設(shè)計(jì)

激光發(fā)生器輸出的激光本身具有一定的發(fā)散角(大多數(shù)發(fā)生器的發(fā)散角都在1.5mrad以內(nèi))，同時(shí)光腰位置也各不相同。各機(jī)床廠家會(huì)根據(jù)激光發(fā)生器輸出激光的特性來設(shè)計(jì)自身的外光路系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的最終目的就是保證激光切割機(jī)在整個(gè)加工范圍內(nèi)能夠獲得相對穩(wěn)定的光束品質(zhì)，常用的外光路設(shè)計(jì)有等光程機(jī)構(gòu)、擴(kuò)束鏡片機(jī)構(gòu)和可調(diào)曲率鏡片機(jī)構(gòu)。等光程設(shè)計(jì)相對比較直觀，容易實(shí)現(xiàn)整個(gè)加工范圍內(nèi)最佳的光腰位置，但是需要增加一套伺服電機(jī)，制造成本相對較高;擴(kuò)束鏡片設(shè)計(jì)相對簡單，主要根據(jù)機(jī)床上各鏡片的安裝位置來計(jì)算出凹面鏡和凸面鏡的曲率大小，擴(kuò)束狀態(tài)取決于工作距離，加工范圍，發(fā)生鏡片尺寸和激光光束的傳導(dǎo)特性等;可調(diào)曲率鏡片應(yīng)用起來相對復(fù)雜，主要需要進(jìn)行大量的切割工藝試驗(yàn)才能夠得出相對可靠的曲率大小，從而能夠通過實(shí)時(shí)改變曲率大小來保證激光切割質(zhì)量[2]。

2 激光切割加工工藝參數(shù)對切割質(zhì)量的影響

2.1 焦點(diǎn)位置

焦點(diǎn)位置對切割表面的粗糙度影響較大，不同材料對焦點(diǎn)的位置要求不同。比如切割碳鋼時(shí)焦點(diǎn)在板材的上表面;不銹鋼焦點(diǎn)在板材的1/2左右;鋁合金焦點(diǎn)位置接近下表面。同時(shí)隨著使用過程中聚焦鏡片的污染，焦點(diǎn)位置會(huì)適當(dāng)向上移動(dòng)，調(diào)整焦點(diǎn)位置的過程中也應(yīng)該考慮這方面的影響[3]。

2.2 切割速度

當(dāng)激光功率和輔助氣體壓力一定時(shí)，切割速度與切縫寬度保持一種非線性反比關(guān)系。當(dāng)切割速度提高時(shí)，切縫寬度減小;當(dāng)切割速度降低時(shí)，切縫寬度反而將會(huì)增大。切割速度與切割斷面表面粗糙度呈現(xiàn)一種拋物線關(guān)系，隨著切割速度降低，斷面表面粗糙度增加，隨著切割速度的增加，表面粗糙度有所改善，當(dāng)達(dá)到一個(gè)最佳切割速度時(shí)，此時(shí)的切割斷面表面粗糙度最小。當(dāng)切割速度增加到一定值后就出現(xiàn)無法切透板材現(xiàn)象。

2.3 激光輸出功率

激光功率大小對切割厚度、切割速度、切縫寬度和切割質(zhì)量都有很大的影響。一般說來，激光功率越大，所能切割的板厚越厚，切割速度也能夠提高。在一定板厚和切割速度下，有一個(gè)最佳的激光功率范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)切割面的粗糙度最小，偏離最佳功率范圍粗糙度就會(huì)增加。進(jìn)一步增加或者減小功率，就會(huì)產(chǎn)生過燒或者掛渣缺陷。

3 切割輔助氣體對切割質(zhì)量的影響

切割輔助氣體包括氧氣、氮?dú)夂蛪嚎s空氣三種。氧氣主要用于切割低碳鋼板材，氧氣純度越高，切割面越光亮，氧氣中含有水分，雜質(zhì)的話，嚴(yán)重影響切割表面粗糙度。厚板切割時(shí)要想取得很好的切割質(zhì)量建議采用純度在99.95%以上的氧氣，碳鋼板材越厚所使用的氧氣壓力越低;氮?dú)庵饕糜诓讳P鋼和鋁合金材料的切割，板材厚度越厚采用的氮?dú)鈮毫υ礁?，純度較低的氮?dú)鈺?huì)導(dǎo)致切割面發(fā)黃，光亮度降低;壓縮空氣主要用來對3mm以下的薄板進(jìn)行切割，對于中厚板材很難實(shí)現(xiàn)良好的切割。

4 結(jié)語

影響切割質(zhì)量的因素有很多，上述主要列舉了主要因素，其次比如被加工板材自身的質(zhì)量，光路中鏡片的質(zhì)量，光路的同心度，噴嘴的形狀和直徑，噴嘴和被加工板面的距離等等都會(huì)對激光切割質(zhì)量產(chǎn)生影響[4]。所以，對于激光機(jī)床制造商來說要考慮根據(jù)激光發(fā)生器自身特性來設(shè)計(jì)完善的外光路系統(tǒng)，而對于最終用戶來說必須根據(jù)實(shí)際加工情況合理選擇適當(dāng)?shù)那懈罟に噮?shù)，兩者結(jié)合起來才能夠獲得最佳的切割質(zhì)量。

[1]陳武柱.激光焊接與切割質(zhì)量控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]楊蘇慶，周驥平.激光切割板材的關(guān)鍵技術(shù)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2007，36(6):68－70.

[3]曹鳳國.激光加工技術(shù)[M].北京:科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[4]何月鵬，王隆太.影響激光切割質(zhì)量的因素分析[J].揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，12(1):28－30.