姚志遠(yuǎn)

（常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，湖南 常德 415000）

引言

隨著我國煙草工業(yè)不斷深入發(fā)展，對煙草機(jī)械的要求也隨之增加。激光切割技術(shù)在煙草機(jī)械鈑金結(jié)構(gòu)件的展開加工中起到了至關(guān)重要的作用。激光切割以切割范圍廣、速度高、切縫窄、熱影響區(qū)小、加工柔性好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種加工領(lǐng)域，是激光加工中發(fā)展最為成熟的一種技術(shù)。不僅提高了生產(chǎn)效率，也對展開圖形的外觀尺寸提供了最大限度的保證。激光切割具有速度快、切割割縫細(xì)、表面質(zhì)量好、熱變形小和操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在常德煙草機(jī)械有限公司（后簡稱公司）鈑金生產(chǎn)中得到廣泛使用。同時(shí)，激光切割的工藝參數(shù)對表面質(zhì)量的優(yōu)劣起到了決定性作用，由于機(jī)型限制，在切割一些較厚板材時(shí)，會(huì)使切割質(zhì)量下降，加大了后續(xù)工序的工作量，因此，現(xiàn)以6mm厚Q235鋼為實(shí)驗(yàn)板材，分析影響切割質(zhì)量的主要因素，得到一組合理的工藝參數(shù)，解決了公司較厚板材切割質(zhì)量差的難題。

1 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果

1.1 試驗(yàn)方法

該實(shí)驗(yàn)主要考察氣體壓力、激光功率、切割速度等三個(gè)因素對切割表面質(zhì)量的影響，通過對表面粗糙度、光潔度以及切口平行度的檢查，對比分析，得到較好的工藝參數(shù)組和范圍。為了在實(shí)驗(yàn)過程中減少其他因素對實(shí)驗(yàn)過程的干擾，噴嘴到工件表面的距離始終設(shè)為2mm，氣體純度不變，其他影響因素均為相同定值［1］。待考察因素為變量時(shí)，其他兩因素值均不變。實(shí)驗(yàn)材料為6mm 厚Q235鋼，化學(xué)成分見表1。

表1 Q235鋼板的化學(xué)成分 %

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1.2.1 切割速度

切割速度的選擇，取決于激光功率密度和被切割材料的熱物理性質(zhì)。當(dāng)功率密度和材料一定時(shí)，切割速度有一個(gè)合理的范圍，過快容易造成掛渣多，很難清盡，為后續(xù)工序造成困難，甚至?xí)霈F(xiàn)未切透；速度過慢會(huì)形成過燒，切口寬度大，影響尺寸，以及熱影響區(qū)大等問題［2］。表2 為實(shí)驗(yàn)切割速度數(shù)值和相應(yīng)的橫截面狀態(tài)描述。

表2 切割速度及表面質(zhì)量的描述

下頁圖1、2、3 分別為三組實(shí)驗(yàn)的切口表面圖。

圖1 切口表面（A）

圖2 切口表面（B）

圖3 切口表面（C）

圖4 1.6m／min切后兩板黏著在一起

1.2.2 氣體壓力

激光切割時(shí)需噴射同軸輔助氣體，主要作用是吹除切割熔體和熔渣，保持切割斷面整潔；加快切割過程，加深切割深度，減小切縫寬度和熱影響區(qū)寬度；保護(hù)激光器透鏡不受加工飛濺物損傷并冷卻透鏡。使用不同的冷卻氣體，對切割質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生不同的影響，因此輔助氣體的選擇是獲得高質(zhì)量切割效果的關(guān)鍵參數(shù)之一。在碳鋼反應(yīng)切割中，采用氧氣作為輔助氣體，有三個(gè)基本功能：提供氧化放熱反應(yīng)所需氧氣；提供機(jī)械能以去除熔融物質(zhì)；強(qiáng)制對流冷卻切割區(qū)。氧化反應(yīng)供給的熱量約為激光切割所需總能量的2／3 以上，可降低對激光器輸出功率的要求。當(dāng)激光功率和切割速度一定時(shí)，氧壓大，則反應(yīng)劇烈，速度快，熱影響區(qū)大，切縫質(zhì)量低；反之則切縫質(zhì)量高。但氧壓過低可能出現(xiàn)切不透或切縫下粘附熔渣過多。

圖5為氧氣壓強(qiáng)過時(shí)的切口表面圖，可見左側(cè)下方有明顯凹陷，整體平行度不好，兩側(cè)有向上翹曲的趨勢。

圖5 氧氣壓強(qiáng)過大時(shí)切口表面

氧氣壓強(qiáng)為0.05MPa時(shí)，鋼板背部基本無熔渣被吹出，幾乎都粘附在鋼板反面，出現(xiàn)了未切透部分，圖6為切割后鋼板反面圖。

當(dāng)氧氣壓強(qiáng)為0.15 MPa時(shí)，會(huì)出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，切縫寬度加大，尺寸比實(shí)際要求值略小0.2～0.5mm，主要是因?yàn)檠鯕夤┙o量加大，切縫區(qū)域氧化反應(yīng)劇烈，導(dǎo)致過燒。在圖7中可以看出，熔渣較圖6明顯減少，但由于氣體壓力較大形成渦流，反而未見熔渣完全吹去［3］。

圖7 氧氣壓力過大時(shí)切割鋼板反面

1.2.3 激光功率

激光功率是影響切割質(zhì)量的重要因素之一。對于特定的工件，一定的功率對應(yīng)一定的切割速度。激光功率越大，切割的厚度越大。但隨著激光功率的增加，切縫寬度和熱影響區(qū)均增大。在其他條件一定下，功率過小，會(huì)導(dǎo)致未切透；功率過大又會(huì)形成過燒。激光的功率往往和切割速度相對應(yīng)，在實(shí)際操作中，往往會(huì)在合適的激光功率范圍值內(nèi)，選取最大的功率，這樣可以相應(yīng)的增加切割速度，提高生產(chǎn)效率。但并不是激光功率越大越好，在實(shí)際應(yīng)用中，隨著激光功率的增加，模式會(huì)隨著改變而改變，在焦點(diǎn)處未必獲得最高的功率密度，也就是說切割質(zhì)量未必最佳［4］。有學(xué)者進(jìn)行了研究，在其他條件一定的情況下，激光的功率和掛渣情況近似呈二次曲線關(guān)系，見下頁圖8，針對以上理論進(jìn)行了驗(yàn)證，當(dāng)功率在正常值以上時(shí)，熔渣粘附在板面，掛渣增多，見下頁圖9。

2 結(jié)論及意義

研究了切割速度、氣體壓力、激光功率三種因素對6mm 厚Q235鋼板試樣表面切割質(zhì)量的影響，可得下列結(jié)論。

圖8 激光功率與掛渣關(guān)系

圖9 大功率下板面掛渣情況

1）切割速度過大或過小均得不到理想的切口表面，只有速度在一定范圍內(nèi)才會(huì)得到較好的切割質(zhì)量。

2）氧氣壓力過大會(huì)產(chǎn)生過燒，平行度差以及比要求尺寸略小等缺陷，氧氣壓力過小又會(huì)形成切不透缺陷。

3）在一定范圍內(nèi)激光功率越大越好，但過大對切割質(zhì)量會(huì)有一定影響。

4）得出了6mm 厚Q235鋼板的切割合理參數(shù)，即速度1.35～1.45 m／min，氣體壓力0.09～0.11MPa，功率1 350～1 500 W，圖10為在此參數(shù)下的切口表面，可以看到，紋理細(xì)窄均勻，無掛渣，平行度良好，基本無需切后處理就可進(jìn)入下道工序。

圖10 最終合理參數(shù)下的切口表面

通過上述幾組實(shí)驗(yàn)，了解了三種主要因素對激光切割表面的影響情況，得到了合理的工藝參數(shù)范圍，解決了公司特定機(jī)型下切割較厚板材的問題。同時(shí)對以后未知材料的切割提供了科學(xué)的研究方法和思路。

［1］張應(yīng)力，羅建祥，張梅，等.金屬切割實(shí)用技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］閻啟，劉豐.工藝參數(shù)對激光切割工藝質(zhì)量的影響［J］.應(yīng)用激光，2006，26（3）：151－153.

［3］李良福.4130鋼的CO2激光切割質(zhì)量［J］.國外金屬熱處理，2005，26（6）：41－47.

［4］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.