对影响激光切割机切割质量因素的分析
翟东升，钟昇，胡金龙
【摘 要】摘要:对激光切割机切割质量进行试验研究，分别从激光切割加工设备特性、切割加工工艺参数、工艺条件等方面，分析了激光器结构、激光模态、光路、焦点位置、速度、功率、气体等因素对切割质量的影响。 【期刊名称】扬州职业大学学报 【年(卷),期】2012(016)001 【总页数】3
【关键词】关键词:激光;切割质量;模态特性;切割工艺参数
随着制造业及激光应用技术的快速发展，激光加工已应用于很多工艺领域，成为一种常用的金属加工手段。从2011年中国国际工业博览会(CIIF2011)之数控机床与金属加工展览会上可以看出，激光加工机床在金属加工机床展品中占据了很大的比重，据不完全统计，本届展会上共展出用于金属加工的数控激光切割机44台。激光切割机之所以备受金属加工领域青睐，得益于近10年来我国对激光切割应用技术的研究。就加工金属板材而言，采用激光切割工艺不仅可以节约昂贵的模具费用，而且可以缩短加工周期。在产品更新周期越来越短的今天，激光切割工艺对新品开发，单件小批量生产和多品种轮番生产有着明显的优势。鉴于上述优点，同时考虑激光切割工艺的特殊性，本文分析影响切割质量的主要因素。
1 激光切割机特性对切割质量的影响
1.1 激光发生器结构
每个激光器内部结构不太一样，CO2激光发生器市场上主要有两种:高速轴流型
(图1)和三轴正交型(图2)。高速轴流型激光光轴方向和激光气体流动方向一致，气体流动速度快，但是气流不稳定，容易发生摇动，所以高精密度的加工很难;三轴正交型激光光轴方向、激光气体流动方向和放电方向相互正交，气体流动速度较低，气流相对稳定，激光输出光束特性相对稳定，但是由于电能产生的热量高，所以，必须采用高性能的冷却装置[1]。从目前应用来看，上述两种激光发生器均能够获得很好的光束输出质量，满足激光切割的要求。 1.2 激光发生器产生的模态
不同厂家生产的激光发生器产生的模态有所不同，图3依次是不同激光发生器产生的TEM00，TEM01，TEM10光束模态图形及相应的能量分布示意图。如果产生的模态不好的话，很难对加工材料进行完全切断，特别是厚板的切割。 通过大量的试验研究证明，TEM00模适合薄板的高速切割，TEM01和TEM10模适合薄板和中厚板的切割，TEM11和TEM20主要适合厚板的切割加工。所以目前市场上的激光切割机大部分以TEM01和TEM10为主。 1.3 激光切割机外光路设计
激光发生器输出的激光本身具有一定的发散角(大多数发生器的发散角都在1.5mrad以内)，同时光腰位置也各不相同。各机床厂家会根据激光发生器输出激光的特性来设计自身的外光路系统，设计的最终目的就是保证激光切割机在整个加工范围内能够获得相对稳定的光束品质，常用的外光路设计有等光程机构、扩束镜片机构和可调曲率镜片机构。等光程设计相对比较直观，容易实现整个加工范围内最佳的光腰位置，但是需要增加一套伺服电机，制造成本相对较高;扩束镜片设计相对简单，主要根据机床上各镜片的安装位置来计算出凹面镜和凸面镜的曲率大小，扩束状态取决于工作距离，加工范围，发生镜片尺寸
和激光光束的传导特性等;可调曲率镜片应用起来相对复杂，主要需要进行大量的切割工艺试验才能够得出相对可靠的曲率大小，从而能够通过实时改变曲率大小来保证激光切割质量[2]。
2 激光切割加工工艺参数对切割质量的影响
2.1 焦点位置
焦点位置对切割表面的粗糙度影响较大，不同材料对焦点的位置要求不同。比如切割碳钢时焦点在板材的上表面;不锈钢焦点在板材的1/2左右;铝合金焦点位置接近下表面。同时随着使用过程中聚焦镜片的污染，焦点位置会适当向上移动，调整焦点位置的过程中也应该考虑这方面的影响[3]。 2.2 切割速度
当激光功率和辅助气体压力一定时，切割速度与切缝宽度保持一种非线性反比关系。当切割速度提高时，切缝宽度减小;当切割速度降低时，切缝宽度反而将会增大。切割速度与切割断面表面粗糙度呈现一种抛物线关系，随着切割速度降低，断面表面粗糙度增加，随着切割速度的增加，表面粗糙度有所改善，当达到一个最佳切割速度时，此时的切割断面表面粗糙度最小。当切割速度增加到一定值后就出现无法切透板材现象。 2.3 激光输出功率
激光功率大小对切割厚度、切割速度、切缝宽度和切割质量都有很大的影响。一般说来，激光功率越大，所能切割的板厚越厚，切割速度也能够提高。在一定板厚和切割速度下，有一个最佳的激光功率范围，在这个范围内切割面的粗糙度最小，偏离最佳功率范围粗糙度就会增加。进一步增加或者减小功率，就会产生过烧或者挂渣缺陷。
对影响激光切割机切割质量因素的分析
