激光切割是當(dāng)前世界上先進(jìn)的切割下料工藝。以其高速、高精度和高適應(yīng)性的特點(diǎn)，在鈑金加工行業(yè)已經(jīng)得到了日趨廣泛的應(yīng)用。我國的機(jī)車車型產(chǎn)品較多，轉(zhuǎn)換較快，機(jī)車的鋼結(jié)構(gòu)件中大約有20%～30%的異形件 尤其是機(jī)車司機(jī)室、車體輔助裝置等的部件，較適合選擇激光下料。激光切割容易實(shí)現(xiàn)切割過程控制自動(dòng)化，能大大縮短生產(chǎn)周期和降低制造成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，現(xiàn)在已經(jīng)部分代替沖壓加工工藝和機(jī)械加工工藝。擁有一套相對成熟的數(shù)控激光切割工藝，可以為公司新項(xiàng)目的快速投產(chǎn)、新車型的開發(fā)提供充分的保障。
激光切割指利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射材料，在極短時(shí)間內(nèi)將材料加熱到幾千至上萬攝氏度，使被照射處的材料迅即熔化、氣化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借與光束同軸的高速氣流(即輔助氣體)從切縫中吹除熔融物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)切割材料的一種熱切割方法。
對于零件的激光切割，工藝參數(shù)一般需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮，同時(shí)結(jié)合了幾項(xiàng)公司某型機(jī)車產(chǎn)品：司機(jī)室某零件(3mmQ345E板)、底架某零件(10mm 16MnL板)、轉(zhuǎn)向架某零件(3mm 0Cr18Ni9Ti板)、線槽某零件(3mm5A02-H24板)進(jìn)行比較說明。
①恰當(dāng)選擇合適的激光功率
激光功率是影響切割質(zhì)量的重要因素之一。激光功率越大，所能切割的板材厚度也越厚。在相同板厚時(shí)，切割不銹鋼及鋁等有色金屬比切割碳鋼所需激光功率要大得多。但隨著激光功率的增加，切縫寬度和熱影響區(qū)均會(huì)增大。激光功率與切割金屬的最大切斷厚度參考表1：
隨著激光功率的增加，切割速度和可切割板厚均增加。如果低碳鋼板厚增大，則應(yīng)采用較大直徑的噴嘴和較低的氧氣壓力，以防止燒壞切口邊緣。鋁板對激光有強(qiáng)烈的反射作用和高導(dǎo)熱性,比低碳鋼和不銹鋼難以切割。與切割低碳鋼相比，在同樣激光功率下，切鋁合金的切割速度和可切板厚均較低。
②掌握正確的切割速度
切割速度是影響切割質(zhì)量的最重要因素之一。在激光功率一定的條件下，不同的切割速度對切割質(zhì)量的影響及工件背面粘附的熔渣不一樣。實(shí)驗(yàn)表明，在能切透的前提下，切割速度越快，切割質(zhì)量越好，其切縫整齊，熔渣少，變形??；切割速度慢，工件光照時(shí)間長，氧氣供給量大，氧化反應(yīng)嚴(yán)重，工件溫度高，熱影響區(qū)大，因而切縫粗糙，熔渣多。但是，切割速度過快，切割處的金屬還來不及氧化就已經(jīng)冷卻，易形成割不透和掛渣；切割速度過慢則熔池?cái)U(kuò)大，割縫表面粗糙度值變大。用恒定功率的激光切割低碳鋼時(shí)，板材越厚，切割速度就越慢。功率主要影響切縫寬度，而切割速度起次要作用。減小功率和提高切割速度一般導(dǎo)致切縫寬度和熱影響區(qū)的減小。不同板材切割速度的選擇參考表2：
③按需控制輔助氣體的種類和壓力
激光切割時(shí)需噴射同軸輔助氣體，其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。在切割碳鋼時(shí)一般采用氧氣作為輔助氣體；在切割不銹鋼或鋁板時(shí)采用氮?dú)庾鳛檩o助氣體。
當(dāng)激光功率和切割速度一定時(shí)，氧壓越大，則反應(yīng)越劇烈，熱影響區(qū)越大，切割質(zhì)量越低；反之則切割質(zhì)量高。但氧壓過低則可能出現(xiàn)切不透或切縫下粘附熔渣過多。
鋁的熔點(diǎn)較低，3mm以下可用氧氣切割，但質(zhì)量很差，斷面粗糙而且毛刺堅(jiān)硬。氮?dú)馇懈顢嗝嫫交?mm以下能夠獲得沒有毛刺的效果。鋁黏性大，加上良好的熱傳導(dǎo)性，熔化物可能沒來得及吹走已經(jīng)冷卻了，所以容易出現(xiàn)毛刺。通過調(diào)整焦點(diǎn)、升高氣壓、降低速度來降低粗糙度，至少要保證毛刺可輕易清除。
從成本考慮，只要切割斷面氧化不影響不銹鋼零件的使用，則應(yīng)該采用氧氣切割。但不銹鋼含高合金元素Ni等的比例較大，熔化物黏度大、流動(dòng)性差，氧氣切割時(shí)較低的氣壓容易導(dǎo)致粘渣等質(zhì)量缺陷。焊接不銹鋼時(shí)氧化層嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，特別是氬弧焊。氮?dú)馇懈顣r(shí)氮?dú)獾谋Ｗo(hù)作用能夠產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的無氧化斷面，這就滿足了不銹鋼焊接零件對切割斷面的高要求，而且氮?dú)馇懈顣r(shí)的高氣壓也容易克服上述質(zhì)量缺陷。氮?dú)馇羞m合加工有焊接要求或者高附加值的不銹鋼零件。
④調(diào)整好焦點(diǎn)位置
焦點(diǎn)位置的高低直接決定割縫處的焦點(diǎn)面積。在相同的功率條件下，面積越大，單位面積上光的功率密度就越低，無法熔化和氣化板材，割不透。此外，如果焦點(diǎn)的對中度不好，容易形成單邊切不透的現(xiàn)象。一般使聚焦點(diǎn)落在板材上表面往下約1/3板厚處。
⑤合適的噴嘴高度
指輔助氣體噴嘴端面至工件上表面的距離。噴嘴高度大，噴出的輔助氣流的動(dòng)量易產(chǎn)生波動(dòng)，影響切割質(zhì)量和速度。因此，激光切割時(shí)，一般都盡量減小噴嘴高度，通常為0.5～2.0mm。
⑥注意材料表面狀態(tài)
如果材料表面有銹蝕，或有氧化層，或不平，切縫會(huì)不規(guī)則，而且有斷點(diǎn)。實(shí)踐表明，當(dāng)工件表面不平達(dá)到±lmm/m2時(shí)影響切縫質(zhì)量。因此應(yīng)先進(jìn)行表面打砂、矯平等工藝處理，再進(jìn)行激光切割。通過在實(shí)際加工中的工藝總結(jié)，我們在切割機(jī)車金屬碳鋼板材時(shí)，通常使用的工藝參數(shù)見表3。工藝參數(shù)隨天氣、機(jī)床本身、材料表面狀況而不同。
在實(shí)際的激光切割加工中，掌握和了解影響切割質(zhì)量的幾個(gè)因素，按照“薄板高壓高速，厚板低壓低速”的原則，有效地調(diào)整工藝參數(shù)，就能加工出高質(zhì)量、高精度的機(jī)車鋼結(jié)構(gòu)件，充分發(fā)揮激光切割高效、高精度的優(yōu)勢。由于在激光切割中影響切割面質(zhì)量的因素很多，僅通過固定的切割規(guī)范難以獲得均勻穩(wěn)定的切割質(zhì)量。因此，對切割質(zhì)量進(jìn)行在線檢測和實(shí)時(shí)控制是保證激光切割質(zhì)量的關(guān)鍵。
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