淺談激光切割加工技術

　　隨著科學技術的進步，激光切割成了激光加工行業中重要的應用技術之一，是不可缺少的鈑金加工手段，已廣泛用于汽車、船舶、航空、機械制造、化工、輕工、電器與電子、石油及冶金等行業。激光切割加工廣闊的應用市場，加上現代科學技術的迅猛發展，使得外科技工作者對激光切割加工技術進行了更為深入的研究，推動著激光切割技術不斷地向前發展。
　　結合生產實際，本文從以下個方面對普通激光切割工藝進行認識與理解。
　　1激光切割原理
　　激光是一種高亮度、方向性好以及單色性好的相干光。聚焦后的激光束照在任何堅硬的材料上都將產生上萬度的高溫。在此高溫下，任何堅硬的材料都將瞬時急劇熔化和蒸發，并產生很強烈的沖擊波，使熔化物質爆炸式地噴射去除。
　　2激光切割分類
　　濟南激光切割的分類標準有多種，一般根據激光切割原理和激光器對激光切割工藝進行分類，此外還可按組成結構、切割材料、工作空間等進行分類。
　　先，按照切割原理分類，可以分為：汽化切割、高壓氣聚焦熔化切割、氧化熔化切割。
　　汽化切割：在高功率密度激光束的加熱下，0.5～6.0mm板材表面溫度會迅速升至沸點溫度，足以避免熱傳導造成的熔化，于是部分材料氣化成蒸汽消失，部分材料作為噴出物從切縫底部被輔助氣體流吹走。切割氣體一般用氮氣或氬氣。
　　高壓氣聚焦熔化切割：當入射的激光束功率密度超過某一值后，光束照射點處材料內部開始蒸發，形成孔洞，其將作為黑體吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化金屬壁所包圍，然后與光束同軸的輔助氣流把孔洞周圍的熔融材料帶走。切割氣體一般用氮氣。
　　氧化熔化切割：熔化切割通常使用惰性氣體，但如果代之以氧氣或其他活性氣體，材料會在激光束的照射下被點燃，與氧氣發生激烈的化學反應，從而產生另一熱源，即為氧化熔化切割，可獲得較高的切割速度。切割氣體一般用氧氣。
　　其次，按常用激光器分類，可以分為：CO2激光切割、YAG激光切割、光纖激光切割。
　　CO2激光切割：用于切割薄金屬、紙張、林材、塑料、紡織品及其他非金屬材料。
　　YAG激光切割：可用于切割金屬、陶瓷、塑料和石墨復合材料。
　　光纖激光切割：可用于切割金屬、陶瓷、塑料和石墨復合材料。不僅提供了CO2激光切割可實現的速度和切割質量，而且維護和操作成本低，是未來激光切割發展的趨勢。
　　3激光切割加工工藝參數
　　切割表面的質量和切割速度是激光切割質量和工效的標志。激光切割質量和切割速度與激光功率、激光束橫模結構、光束直徑、激光輸出參數的穩定度有關;與材料表面的反射率、熱傳導率及板材厚度有關;與聚焦系統的焦距、激光焦點尺寸和位置、聚焦深度、透鏡材料、透鏡的冷卻方式有關;與輔助氣體的種類、氣體壓力、氣體流量、噴氣嘴與材料表面的距離有關。
　　當激光器與聚焦系統確定后，為了獲得切割精度高的切割表面，激光切割的工藝參數主要是調整激光功率、光路、切割速度、工作氣體、輔助氣體及切割路徑的優化等。
　　先，激光速度的選擇。
　　當激光器、聚焦系統、加工材料確定后，為了獲得切割精度高的切割斷面，激光切割的工藝參數主要是調整激光功率、切割速度、輔助氣體流量和噴氣組離加工材料表面的距離。切割速度是一個至關重要的工藝參數，切割時，需要根據激光器功率大小和工件的厚度確定激光加工的合適切割速度。當切割速度選擇過小時，由于光束在同一位置作用時間過長，能量聚焦會使切割表面產生裂紋或燒焦現象;而切割速度選擇過大，則不能切割工件。因此，加工速度的選擇，應綜合考慮激光器切割時的加工速度與其輸出功率的關系。
　　其次，激光切割路徑的優化。
　　根據激光加工的特性，該系統需做到可自動將工藝信息添加到圖形中，其中包括自動給出切入、切出點，對內輪廓切割，選擇長的線段或圓弧的中點作為進刀點，并在此處加一與該線段或圓弧相內切的圓弧作為輔助進、出刀路徑;對外輪廓切割選擇進出點的原則是：選擇尖角頂點作為進出點，并向外延長該角的兩邊作為輔助進出路徑，若圖形中無尖角，則選擇長圓弧的中點作為進刀點，并在該點做該圓弧的外切線，作為輔助切入、出路徑，從而確保進、出刀點的切割質量。
　　另外，該系統好也能做到，使用戶也可通過入機交互方式繪出進、出刀點及修改輔助路徑長度。這樣，才能盡可能減少激光切割過程中的停切和起切次數，大限度地保證激光的連續切割，提高切割邊緣質量的加工效率。
　　4激光切割在實際生產中的應用
　　4.1在薄板加工中的應用
　　充分利用軟件優勢，提高薄板材料的利用率。某激光切割機配套的編程軟件為AMLASER，它的CAD工作平臺為CAD KEY7.0，輔以Lnest(優化排料)，旋轉支撐等較有特色的功能。Lnest可在定尺材料上優化排列相同料厚的多種不同件，利用這一功能用激光切割薄板可省略開料這一工序，降低工時，同時可減少材料裝夾次數。
　　由于其存在加工死區，減少裝夾次數就意味著節省材料，減少加工輔助時間。瑞士某激光切割機不需要夾緊待加工的板材，不僅不存在加工死區，而且加工速度成倍的提高。編制切割方案時可根據生產計劃把相同料厚的多種不同件排列在定尺材料上，提高材料的利用率。
　　加工過程中應減少模具數量、加快產品開發速度。因為，近年來在紡織機械產品中少切削、無切削以及鈑金件所占的比重越來越大，如果沒有比較的工藝設備，那么每種鈑金類件在落料生產工序中的工作量非常大。大部分落料需要利用模具，而模具的設計、生產需要相當的時間。
　　另外，一個新產品在試制過程中往往是單件量生產，而且件須根據試制情況作相應改動，這樣一來利用模具生產成本就太高了。用激光切割落料可節省大量模具的投入，使生產的準備時間縮短，產品開發速度加快。激光切割沖壓件還可提高模具設計的準確性。因為，落料作為拉仲成型的前道工序，其落料尺寸往往需要修正。而利用激光割出的沖壓件在成形模上試加工，就可準確的定出落料模的尺寸，為以后大批量生產時設計模具打下基礎。
　　4.2在中厚板加工中的應用
　　對于具有復雜型腔、精度比較高的中厚板，如果用數控沖床來加工，也是一種加工方法，但只有數控沖床的步進沖切的間隔越小，件加工的精度才能越高，所以相對來說加工的時間就長了，效率不高不經濟，并且容易損壞刀具。如果用加工中心來加工，它能保證件的高精度要求，但是加工時間更長，不適合短期需要使用的件的加工。對于精度不是很高的件加工，沒有這個必要，況且加工中心加工的成本很高，而使用激光加工，就能夠比較快的對精度比較高的中厚板加工。
　　4.3在復雜管件上的加工
　　高速彈力絲機熱箱部件中的盛液管是一個比較復雜的不銹鋼圓管件，管壁厚度2mm，管身上在不同角度、不同長度上分布著不同直徑的圓孔、橢圓孔以及尺寸較大的多個長方孔，尺寸精度、位置精度要求較高。以前用專用組合沖模加工，由于受定位精度、沖裁力以及模具失精的影響，件質量一直不能令人滿意。而用激光切割機加工，輔助動力頭和配套夾具解決了裝夾定位的問題，產品質量明顯提高，達到了設計要求。
　　4.4在特殊材料上的應用
　　切割鋁和鋁合金應該用連續切割模式，盡管锃板反射率和導熱性高，也可以切到8mm。當用氧氣切割時，切面粗糙、毛刺少，但難清除。當用氮氣保護切割時，切面光滑，4mm以下的切縫沒有毛刺。隨著厚度增加，毛刺會增多并越難清除。切割鈦板時使用氮氣或氬氣作為切割保護氣體，計算機中有切割參數。用氮氣保護切割時，切面微黃色;用氬氣保護切割時，切面白色。切割銅時，必須要用氧氣切割，厚度可達3mm。對于合成材料，可用來加工的有熱塑塑料、熱固塑料和合成橡膠。激光還可以用來切割木材、皮革、厚紙板和紙，但切邊會燒焦(變黃)，切割速度越高，炭化越少。切割膠合板時，不能保證切面光潔，因為不同的膠有不同的分解特性。
　　5結論
　　目前，激光切割技術正朝高速度、多自由度、大幅面大厚板、高智能化方向發展。為了滿足汽車和航空等工業的立體工件切割的需要，三維激光切割機也已研制出多種5軸機和6軸機，正向高效率、高精度、多功能和高適應性方向發展。此外，激光切割機器人的技術成熟度和應用范圍也越來越大。