劉正松，梁 艷

（深圳市誠(chéng)瑞豐科技股份有限公司，廣東深圳 518000）

激光切割的工作原理是將二氧化碳激光放電管內(nèi)的各種氣體混合，通過(guò)分子中的原子振動(dòng)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生激光；二氧化碳激光機(jī)產(chǎn)生水平光束，通過(guò)45°∠的全反射鏡改變光束路徑，垂直向下匯聚成非常小的光斑，現(xiàn)場(chǎng)溫度很高，產(chǎn)生一個(gè)局部高溫（通常超過(guò)1 000℃），這使得處理加工的部分融化或蒸發(fā)成孔，配合輔助氣體，吹走殘?jiān)缓笈浜霞す夤馐倪\(yùn)動(dòng)，使孔連續(xù)形成寬度很窄的狹縫，從而達(dá)到切割效果。在圓形模切板加工過(guò)程中，激光切割可以快速收集工件表面的高能激光束，使材料熔化或蒸發(fā)。因?yàn)閳A形模切板是關(guān)鍵的工程材料之一，具有較低的氧化黏度和高熔點(diǎn)，非常適合激光切割加工，其工藝參數(shù)的應(yīng)用研究對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

1 激光切割原理分析

激光切割過(guò)程，激光束會(huì)在材料外表聚焦為小孔，形成黑體，吸收率增加，讓孔洞加深，利用輔助氣體使材料蒸氣被吹出接口。如果利用激光熔化這一切割技術(shù)，激光束能熔化材料，利用輔助氣體在材料氣化前加壓射流，從接口處去除。受到噴嘴影響，激光、氣流二者方向相同，產(chǎn)生超音速流動(dòng)，物料可快速熔化，功耗小，僅為氣化環(huán)節(jié)的1/10左右。利用氧氣作為輔助氣體，激光束與熔融板還能發(fā)生放熱反應(yīng)，氣化切割速度比熔化切割速度高5倍。利用激光使材料進(jìn)行斷裂，加熱后材料會(huì)迅速上升，光斑周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生應(yīng)力，也會(huì)受到壓縮。當(dāng)光的速度完全通過(guò)后，被壓縮的應(yīng)力會(huì)呈現(xiàn)放松狀態(tài)，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生殘余的拉應(yīng)力，減壓效果明顯。在應(yīng)力作用下，裂紋沿激光方向逐漸擴(kuò)展，使工件材料分離。使用激光切割的過(guò)程，在切割初期，要切割的材料會(huì)在試樣邊緣由于出現(xiàn)拉應(yīng)力而破碎，然后激光光斑周?chē)牟牧蠎?yīng)力會(huì)逐漸被壓縮。當(dāng)所有的激光通過(guò)后，材料的壓應(yīng)力，主要是塑性應(yīng)力，會(huì)被釋放并不斷放松，呈現(xiàn)出殘余應(yīng)力，從而將被切割的材料自上而下地破碎。切割后期是材料斷裂的不穩(wěn)定時(shí)期，因?yàn)榱鸭y尖端產(chǎn)生的應(yīng)力方向與厚度方向相同，導(dǎo)致零件出現(xiàn)不穩(wěn)定裂紋。因此，該技術(shù)主要應(yīng)用于基板切割。圖1為激光切割。

圖1 激光切割

2 激光切割技術(shù)應(yīng)用的基本特征

激光切割技術(shù)是利用高能密度激光束的熱效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行氣化、熔化和氧化的工藝方法。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)具有很大的發(fā)展空間。影響激光切割工藝應(yīng)用質(zhì)量的因素有很多，如激光輸出功率、氣割壓力、切割速度、材料質(zhì)量等。

（1）激光技術(shù)加工效率高，質(zhì)量好。與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，激光切割技術(shù)的加工效率非常高。比如在金屬切削加工過(guò)程中，這種加工工藝大約是普通加工工藝的15倍；如果材料的焊接操作是通過(guò)激光切割技術(shù)進(jìn)行的，可以達(dá)到傳統(tǒng)焊接技術(shù)的25倍左右；如果通過(guò)激光切割技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)件的鉆孔作業(yè)，速度是傳統(tǒng)機(jī)械鉆孔的4萬(wàn)倍以上。不僅加工速度比較快，與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，激光切割技術(shù)的質(zhì)量更高，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式的加工處理，精密度比較高，加工效果也非常好，從而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和價(jià)值，為圓形模切板領(lǐng)域帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，為行業(yè)的發(fā)展提供良好的基礎(chǔ)。

（2）適應(yīng)性強(qiáng)。激光加工可用于各種材料，如高強(qiáng)度、高濃度、高硬度材料等。此外，激光加工不僅適用于大氣環(huán)境，還適用于真空環(huán)境，這也是激光加工適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

3 激光切割圓形模切板縫寬和縫形工藝參數(shù)

在激光加工的幫助下，研究人員觀察圓形模切板的表面粗糙度，而零件的表面粗糙度并不均勻。經(jīng)過(guò)研究，圓形模切板表面只有裂紋。馬志剛利用格拉布斯異常值，配合最小二乘法，處理銹鋼外表紋理峰值、接縫寬和掛渣量相關(guān)數(shù)據(jù)，獲得對(duì)應(yīng)目標(biāo)預(yù)測(cè)函數(shù)，綜合確認(rèn)此類(lèi)圓形模切板切割最佳參數(shù)為3 mm。

為了研究材料在高速切割條件下是否會(huì)有等離子體的危險(xiǎn)，陸桂君展開(kāi)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)所選的輔助氣體是問(wèn)題的主要誘因，與圓形模切板材料無(wú)關(guān)。當(dāng)切割速度逐步增大時(shí)，前緣的傾斜量也會(huì)增大，讓熔池、輔助氣體間傳熱效率更高。在切割前傾角快速增加環(huán)境之下，輔助氣體、熔池的接觸面積不斷增大，在一定程度上能夠促進(jìn)熔池?zé)崃總鹘o輔助氣體。同時(shí)還分析了在激光切割過(guò)程中輔助氣壓、激光功率和切割速度參數(shù)對(duì)這類(lèi)圓形模切板的切割邊緣和焊縫厚度的影響。通過(guò)正交數(shù)組試驗(yàn)，借助多元回歸方法，建立分析預(yù)測(cè)模型，影響切割質(zhì)量的主要因素為激光功率，切割速度次之，輔助氣壓影響最小。利用回歸模型可以看出，圓形模切板的切縫寬度在隨激光功率、切割速度增加逐漸增大。當(dāng)激光的功率為600 W 的時(shí)候，輔助氣壓0.05 MPa，切割速度2 000 mm/min，上述參數(shù)之下圓形模切板切縫最小。

史堯臣利借助激光對(duì)于圓形模切板，厚度1 mm進(jìn)行切割并利用正交試驗(yàn)展開(kāi)直觀分析，通過(guò)方差分析對(duì)圓形模切板的接縫寬度，獲得接縫數(shù)據(jù)影響因素從高到低分別為激光功率、脈沖寬度和重復(fù)頻率。

劉晴云分析了圓形模切板板在切口寬度最低時(shí)的參數(shù)，并通過(guò)響應(yīng)面法推導(dǎo)出上下接縫的寬度方程。在實(shí)驗(yàn)條件下，應(yīng)用任意參數(shù)組合下的激光切割工藝，對(duì)零件上下接頭的尺寸和深度進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：激光強(qiáng)度增大，頂部切口寬度增大；當(dāng)束流功率增大、氣壓增大時(shí)，缺口寬度也隨之增大。當(dāng)功率參數(shù)為4 kW 時(shí)，接頭寬度達(dá)到最大值；當(dāng)光束功率最大、切割速度最大時(shí)，底部切口寬度最小；如果切割速度和輔助氣壓參數(shù)減半，底部切口寬度達(dá)到最大值。

李英民選用連續(xù)激光束，結(jié)合脈沖工藝，氮?dú)夂脱鯕廨o助氣體切割1.3 mm 厚圓形模切板。經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化后，結(jié)果表明：切削速度和脈沖頻率，或者聚焦位置或者激光功率都會(huì)影響激光切割的質(zhì)量。與選用輔助氣體相比，用氮?dú)饧庸A形模切板具有更好的斷面光潔度和小的切割縫，但這種工藝的消耗成本也非常高。在加工過(guò)程中，如果增加切削速度和切削頻率等工藝參數(shù)，會(huì)影響切削縫的粗糙度和寬度。

馮小波利用脈沖激光切割1mm 厚的圓形模切板。當(dāng)切割電流設(shè)置為100 A 和140 A 時(shí)，工件掛渣更長(zhǎng)、較大，端面粗糙度更顯著。選擇0.5 ms 和1.0 ms 的脈沖，隨著電流的增大，切削頻率和速度變大，工件端面粗糙度呈現(xiàn)“先小后大”的特點(diǎn)。

4 激光切割圓形模切板質(zhì)量分析

借助高速成像研究切割前沿流體動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)激光切割環(huán)節(jié)，熔體膜切割前沿形態(tài)、流動(dòng)特性均可影響切割質(zhì)量，這可能會(huì)導(dǎo)致邊緣粗糙度現(xiàn)象或者絨長(zhǎng)。熔體光滑，激光界面良好，光纖激光是一種氮?dú)廨o助切割工藝，切邊的平整度不佳。當(dāng)激光切割速度減小而寬度增大時(shí)，最大切割速度為16.5 mm/s，產(chǎn)生粗糙度良好。

張翀昊選擇圓形模切板對(duì)試樣在激光切割下來(lái)的疲勞行為進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)試樣存在3種宏觀缺陷：①切割面出現(xiàn)明顯的凸起問(wèn)題；②切割點(diǎn)下緣有毛刺；③基體材料與重鑄層界面處存在氣孔。因此，通過(guò)實(shí)際分析發(fā)現(xiàn)，激光切割可以將部分熔融材料排出，且在下緣存在凝固的浮渣。在切割邊緣，重鑄層中存在大量氣孔。由于切削孔效應(yīng)的存在，切削材料的抗疲勞性能可能會(huì)降低。

通過(guò)以上分析，結(jié)合激光切割技術(shù)在圓形模切板切割領(lǐng)域的參數(shù)選擇，可以發(fā)現(xiàn)激光參數(shù)、板材厚度參數(shù)和材料類(lèi)型是相關(guān)的，還與脈沖頻率、輔助氣體、電流大小、切割速度、切割壓力參數(shù)相關(guān)，參數(shù)的選擇影響到圓形模切板零件的切口質(zhì)量和表面質(zhì)量，因此，有必要在后續(xù)分析激光切割參數(shù)的優(yōu)化應(yīng)用，以提高工藝的應(yīng)用質(zhì)量。

5 激光切割圓形模切板中常見(jiàn)問(wèn)題及注意要點(diǎn)

5.1 氣體中不能有水分

激光加工要求氣體中不能有水，有水會(huì)損壞光路和鏡片，為保證氣體中沒(méi)有水分，采用了三級(jí)過(guò)濾裝置。

5.2 確保氣體純度

激光加工氣體純度越高，切割質(zhì)量越好。切割普通碳鋼使用氧氣，氧氣純度99.95%以上，切割圓形模切板使用氮?dú)?，氮?dú)饧兌纫鬄?9.999%。但是，在使用鋼瓶?jī)?chǔ)存氣體時(shí)，如果鋼瓶抽渣不干凈或放空氣瓶，則氣體純度不能符合要求。因此，為了保證氣體的純度，選擇了杜瓦罐中的液態(tài)氧和液態(tài)氮。

5.3 激光頭應(yīng)定期清洗

激光頭最重要的部分是透鏡。鏡頭表面應(yīng)無(wú)油、灰塵、污垢和水。它容易吸收激光，損傷透鏡涂層，會(huì)影響光束質(zhì)量，降低切割質(zhì)量?？梢允褂脧S家提供的一套專(zhuān)用清潔工具定期對(duì)激光頭進(jìn)行清潔，確保激光頭是干凈的。

5.4 調(diào)整噴嘴，使其與激光束同軸

當(dāng)光束不在噴嘴中心時(shí)，一個(gè)方向的切割面質(zhì)量會(huì)下降。如果橫梁偏斜嚴(yán)重，就會(huì)對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，材料會(huì)切不透，有時(shí)噴嘴會(huì)損壞。因此，應(yīng)定期檢查并使用機(jī)床自帶程序CP-TAPESHOT 進(jìn)行對(duì)中調(diào)整。

5.5 根據(jù)材料調(diào)整焦距

機(jī)床具有對(duì)焦線自動(dòng)調(diào)整功能，但有時(shí)由于材料和厚度不同，切割質(zhì)量不理想，需要手動(dòng)調(diào)整。切割碳鋼時(shí)，焦點(diǎn)位置在板材表面上或上面，而切割圓形模切板的焦點(diǎn)位置在板材表面以下。需要實(shí)時(shí)調(diào)整。調(diào)整好后進(jìn)行試切，然后根據(jù)質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整，直到調(diào)到合適的焦點(diǎn)位置。

5.6 確保板材質(zhì)量

由于國(guó)產(chǎn)鋼板與進(jìn)口鋼板在雜質(zhì)含量、表面處理等方面存在一定的差異，在加工市場(chǎng)上存在加工不合格、無(wú)法切割等問(wèn)題，導(dǎo)致切割困難。為了保證切割質(zhì)量，一定要保證板材質(zhì)量，平整板材表面，除銹，這樣才能保證板材光潔、平整、無(wú)銹蝕。

5.7 選擇合理的工藝參數(shù)

影響激光切割圓形模切板質(zhì)量的因素有很多，如激光功率、切割速度、聚焦位置、氣體純度、材料特性等，選擇合適的參數(shù)可以獲得更好的切割效果。

由于板材質(zhì)量不能滿足進(jìn)口鋼材的要求，設(shè)備提供的參考參數(shù)需要適當(dāng)調(diào)整。因此，操作人員需要不斷探索和調(diào)整各種參數(shù)，才能逐步加工出符合要求的零件。激光加工的初期，由于多次參數(shù)錯(cuò)配，零件沒(méi)有被切割。需要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)整和切割后才能完成后續(xù)切割加工。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)常用材料的型號(hào)和規(guī)格進(jìn)行測(cè)試，不斷調(diào)整確定適合所用材料的工藝參數(shù)組合。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)激光加工圓形模切板中常見(jiàn)問(wèn)題及注意要點(diǎn)總結(jié)，形成規(guī)范，指導(dǎo)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。對(duì)待加工中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，進(jìn)一步摸索新的方法，解決加工中的疑難問(wèn)題，不斷提升能力，為單位大發(fā)展服務(wù)。