激光切割技术应用研究

激光切割技术应用研究

郭馨仪

中航西安飞机工业集团股份有限公司， 陕西 西安 710089

摘要：针对超高强度钢、耐热不锈钢、钛合金等材料制造复杂形状的蒙皮零件和肋腹板切割问题，开展激光切割技术应用研究。本文简要介绍了金属零件激光切割原理，激光切割特点，激光切割工艺流程和工艺参数的选择。结合生产实际情况，利用五坐标激光切割机进行激光切割技术应用研究，分析激光切割过程中常见问题和解决措施，规范激光切割工艺和操作过程，提高批生产产品实物质量和工作效率，降低飞机制造成本的目的。

关键词:  激光切割   钣金加工  常见问题  解决措施

1  激光切割原理

激光加工是激光束高亮度（高功率）、高方向性特性的一种技术应用。其基本原理是把具有足够功率（或能量）的激光束聚焦后照射到材料适当的部位，材料在接收激光照射能量后在10-11秒内便开始将光能转变为热能，被照射部位迅速升温。根据不同的光照参量，材料可以发生汽化、熔化、金相组织变化以及产生相当大的热应力和切缝。再用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，同时使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而达到工件材料被去除、连接、改性和分离等加工目的。激光切割属于热切割方法之一。

2  激光切割工艺参数选择及其控制

2.1 激光切割工艺参数选择

影响激光切割切割质量的工艺参数包括：切割速度、功率、气体类型、气体压力、焦距及切割起点方式等，其中切割速度、功率和气体压力三者的匹配极为重要，为了试验不同工艺参数对切割的影响程度，我们采取改变某一参数，固定其余参数的方法进行切割试验；同时，兼顾生产成本及生产效率，在确保切割断面符合要求的前提下，选用匹配的工艺参数，最终切割出符合图纸要求的零件。

激光功率

激光切割所需要的激光功率主要取决切割类型以及被切割材料的性质。汽化切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧气切割最小。激光功率对切割厚度、切割速度和切口宽度等有很大影响。一般激光功率增大，所能切割材料的厚度也增加，切割速度加快，切口宽度也有所加大。

焦点位置（离焦量）

离焦量对切口宽度和切割深度影响较大。一般选择焦点位于材料表面下方的约1/3板厚处，切割深度最大，切口宽度最小。

焦点深度

切割较厚钢板时，应采用焦点深度大的光束，以获得垂直度较好的切割面。但焦点深度大，光斑直径也增大，功率密度随之减少，使切割速度降低。若要保持一定的切割速度，则需要增大激光的功率。切割薄板宜采用较小的焦点深度，这样光斑直径小，功率密度高，切割速度加快。

切割速度

切割速度直接影响切口宽度和切口表面粗糙度。不同材料的板厚，不同的切割气体压力，切割速度有一个最佳值，其值约为最大切割速度的80％。

辅助气体的种类和压力

切割低碳钢较多采用O2作辅助气体，以利用铁-氧燃烧反应热促进切割过程，而且切割速度快，切口质量最好，可以获得无挂渣的切口，切割不锈钢时，常使用O2+N2混合气体或双层气流。单用O2在切口底边会发生挂渣。

氧气纯度对切割速度有一定的影响，研究表明，氧气纯度降低2％，切割速度就会降低50％。

气体压力增大，动能增加，排清能力增强，因此可以使无挂渣的切割速度增加。但压力过大，切割面反而会粗糙。

在板厚一定时，存在一个最佳氧气压力，使切割速度最大。当激光功率一定时，切割氧气压力的最佳值随板厚的增加而减小，气体压力与材料板厚的关系见图1。

图1  气体压力与材料板厚的关系

激光切割时，还需要根据被切割材料选用辅助气休。

2.2  激光切割的操作程序和控制要点

以LY12-M-δ3.0材料的切割工艺参数的摸索为例，说明整个激光切割的操作程序：

预设激光切割工艺参数

激光切割使用一系列的参数值。初始参数值来自制造商推荐的值或先前激光装置评估，并随后经试验优化。

激光切割

按照切割模具三个基本坐标点测出机床相对程序或数模转换的三点坐标值，将零件激光切割程序传递到机床，在切割过程中随时检查切割气体的压力，避免零件产生未切断现象。详细填写激光切割数据页表格。

焦点位置的检查

激光切割前需先根据材质调整光束焦点在工件上位置，由于激光束，特别是O2气体激光，一般肉眼看不到，可采用丙烯块检测出焦点位置，然后调节割炬的高度，使焦点处于设定位置。

穿孔操作要点

实际切割加工时，有的零件需从板材的内部开始切割，这就要先在板材上打孔。一种方法是采用连续激光，在薄板上穿孔，可以用正常的辅助气体压力，光束照射0.2～1s就能贯穿工件，然后即可转入切割。当工件厚度较大（如板厚为2mm～4mm）时，采用正常的气体压力穿孔，在工件表面上会形成尺寸比较大的熔坑，不但影响切割质量，而且熔融物质溅出可能损坏透镜或喷嘴。此时宜适当增大辅助气体的压力，同时略微增大喷嘴的孔径和喷嘴与工件的距离，这种方法的缺点是气体流里增加并使切割速度降低。另一种方法是采用脉冲激光穿孔，然后再转为连续激光进行切割。用这种方法时，每一个脉冲的能量要高，而脉冲间隔时间宜稍长一些，这样可获得质量较好的穿孔，但脉冲穿孔所花的时间稍多些。

3激光切割技术应用及发展趋势

伴随着激光器向大功率发展以及采用高性能的CNC及伺服系统，使用高功率的激光切割可获得高的加工速度，同时减小热影响区和热畸变，所能够切割的材料板厚规格进一步地提高，高功率激光可以通过使用Q开关或加载脉冲波，从而使低功率激光器产生出高功率激光。

根据激光切割工艺参数的影响情况，改进加工工艺，如：增加辅助气体对切割熔渣的吹力；加入造渣剂提高熔体的流动性；增加辅助能源，并改善能量之间的藕合；以及改用吸收率更高的激光切割。

激光切割将向高度自动化、智能化方向发展。将CAD/CAPP/CAM以及人工智能运用于激光切割，研制出高度自动化的多功能激光加工系统。

根据加工速度自适应地控制激光功率和激光模式或建立工艺数据库和专家自适应控制系统使得激光切割整机性能普遍提高。以数据库为系统核心，面向通用化CAPP开发工具，对激光切割工艺设计所涉及的各类数据进行分析，建立相适应的数据库结构。

向多功能的激光加工中心发展，将激光切割、激光焊接以及热处理等各道工序后的质量反馈集成在一起，充分发挥激光加工的整体优势。

4结束语

激光切割技术在钣金加工领域的应用研究，是钣金加工技术的一次重大变革，推动了钣金加工技术的迅速发展，与传统加工技术相比表现出其巨大的优势，随着激光技术应用领域的不断拓宽，应用规模的逐渐扩大，所获得的经济效益和社会效益非常显著。

参考文献

[1]任子为,刘 彦杰,张仕进.基于BP神经网络的碳钢激光切割工艺参数预测模型及验证[J].工业控制计算机, 2023, 36(09) : 53-54.

[2]闫嘉,李林峰,林毓培.基于模糊聚类疫苗免疫算法的汽车零件双激光切割路径规划研究[J].应用激光, 2023, 43(09) : 75-83.

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