不同材料激光切割加工的工艺研究

个具有 一定 直径 的光斑 ，精密切 割时 为满足零 件 的尺寸要求 必须 对 其 进行 半径 的 自动补 偿 ，在 实际 的激光切 割 中 ，光斑 直径 一般在 ０ ． １ — ０ ． ２ ｍ ｍ， 自动补偿 时激 光束 中心 轨迹偏 离 理论 轮廓 一个 光径补 偿 同其 他刀具 半径补 偿 样， 在程 序中置 人所 采用 的加工刀具 的半径值 。 ３ － ５激光 功率 激光 切割机 在加工 过程 中存在最 佳 的功率范 围 ， 当功 率较小 时 ， 光 束 的能量不 足使金 属快速熔 化 ，同时辅 助气体 的压力 不能很 快清 除熔 融金 属 ， 使 切割 表面粗 糙度 增 大 ； 随着激 光功 率 的增 大 ， 开 始获 得较 好 的切 口质量 ； 当激光 功率进 一步增 大时 ， 单 位时 间内切割 光斑 中心处 的 能量 密度增 大 ， 作用 在材料 单位面 积上 的激光 能量增加 ， 产生 的热量 增 加， 板 材 的熔化 量也 随着 增大 ， 但 由于熔 化物 流 动． ｆ 生差 ， 致 使熔 渣不 能 及时排 出，而且辅 助气体 的流量 不能足 以及 时冷却切 口会使 切 口产 生 烧灼现象， 出现不规则纹理 ， 从而引起切 口表面质量的下降。 ３ ． ６切 割速度 切 割用 的激 光束 能量呈 高斯分 布 ， 切割 速度过 高 ， 激光 与材料 相互 作用 的时 间短 ， 作用 于工件 表面上 起作 用的有 效的光 斑面积 减小 ， 切口 宽度 相应 的减小 ， 而光束 的照射 点 向切 口前沿 靠近 ， 切 口前沿 的熔 化速 ２ ． １激 光切割 激 光对材料 的切割 实质上就 是对 材料进行 破坏 。激光束 打到 工件 度跟 不上激 光束 的前移 速度 ， 切 口出现 后拖线 ， 切 口表 面粗糙 度增 加和 切割 速度 过低 ， 激光 与材 料 相互 作用 的时 间加 长 ， 表面 ， 工件表 面就会 吸收 和反射激 光 ， 这种 吸收 和反射 主要取决 于 工件 切 口下部 出现 挂渣 ； 的材 料种类 。工件 表面 吸收激光 能量 ， 使 自身温 度上升 ， 从 而改 变工 件 对材 料起作 用 的有 效光 斑的面 积增大 ， 切 口宽度 自然 随之增 大 ， 而 此时 的结构 和性 能 ， 造成 不可逆 的破坏 。 切割速度跟不上熔化速度， 过剩的反应热使切 口发生过度熔化， 热影响 激光切割 大致可 分为汽 化切割 、 熔 化切 割 、 氧助熔 化切 割和控 制断 区随之增大 ， 从 而形成较 宽的 、 不整齐 的切 口。 裂切 割四类 。 本 文涉及 到的激光切 割属于熔 化切割 ， 就是 利用一定 功率 ３ ． ７辅助气体 种类 、 压力 密度 的激光 束加 热工件使 之熔化 ， 形成孑 Ｌ 洞， 同时依靠非 氧化性 辅 助气 激 光切割需 用辅 助气体 ， 对辅 助气体 的基本要 求是 ： 进 入切 口的气 流把 孔洞熔融 材料吹 除 、 带走， 形成割缝 。 流量 要大 ， 速度要 高 ， 主要涉 及到辅助气 体 的种类 、 压 力和纯 度。辅 助气 ２ ． ２试 验条件 体 的主要作 用有 几 点 ： （ １ ） 充足 的气体 将熔 融材料 喷射 带 出 ； （ ２ ） 冷 却作 ２ ． ２ ． １试验 设备 用； （ ３ ） 有 利于 提高 工件对 激光 的吸 收率 ； （ ４ ） 提 高切 割速 度 ； （ ５ ） 获 得更 保护 气体我们 常用氮气 、 氩 气和氧气 ， 压 力为 １ ０ － － １ ５ Ｂ ａ ｒ 。 本试验使用 的激光 切割设 备为德 国 Ｄ ＭＧ公 司 的 Ｌ Ａ Ｓ Ｅ Ｒ Ｔ Ｅ Ｃ 佳 的切割质量 。 ８ ０ Ｆ Ｃ 。 Ｌ Ａ Ｓ Ｅ Ｒ Ｔ Ｅ Ｃ ８ ０ Ｆ Ｃ配备 的激光 器为 Ｌ ａ ｓ ａ ｇ系 列的 Ｆ Ｌ Ｓ ３ ５ ２ Ｎ 激光 综 上所 述 ， 激 光功 率 、 切 割速度 、 辅 助气 体压 力等 对切 缝 质量 均有 发生 器。 较 大影 响 ， 除此 之外 ， 光束 直径 、 散 焦量 等参 数对 切割 质 量均 有一 定程 ２ － ２ ． ２试 片材料及规 格 度 的影 响 ， 在试 验 中使用 的设备 为 Ｌ Ａ Ｓ Ｅ Ｒ Ｔ Ｅ Ｃ ８ ０ Ｆ Ｃ ， 激 光功 率通 过调 工艺试验 是依据 公司产 品 的材 料 、 结构 等特 ． 进行 制作 ， 材料 主要 节脉 宽 、 频率 、 电压 进行控制 。进 给速度 、 辅 助气体压力 在数控 程序 中 自 为不锈钢 、 钛合金 、 高温合金 ， 每种的厚度都为 （ １ ， １ ． ５ ， ２ ， ２ ． ５ ， ３ ， 单位为 行设 定 。 ｍ ｍ） 。 ４激 光切割试 验及结果 ２ ． ２ ． ３去离 子水浓 度 本试 验根据 试验方 案进行 展开 ， 分 别对不 锈钢试 片 、 高 温合金 试 片 和钛 合金试 片进行 了激 光切割试 验 。 去离子水 浓度要求 ２ 微西 门子 以下 ， 最高 不要超过 ５ 微西 门子。 ３激 光切割工艺 试验方案 将工 艺试验 中确定 的工艺 参数及 数控程 序用 于加工相 同材料 及厚 度 的正式 产 品 ， 可 得到相 同 的表 面质量 和尺 寸精度 ， 所 以在加 工正 式产 ３ ． １工艺试 验问题点 工件 在切 割前 ， 要对 工件 的加工 工艺点 进行分 析 ， 如 工件 的材料 、 厚度 、 品前 一般 都先对 相 同材 料及厚 度 的试片进 行试切 ，以 降低 废 品率 和生 切 割路径 、 尺寸精 度 、 切割质 量 因素影 响（ 含气体 的种类 、 压力 、 纯 度等 ） 产成 本 。 等 。零 件 的轮 廓精度 主要靠数控 系统来保 证 。 ５结论 零件 的尺 寸精度 主要 取决 于工作 台的机械 精度 和 系统 控制精 度 ， 本文 针对不 锈钢 、 钛合 金 、 高 温合 金板 材进 行激 光切 割试 验 研究 ， 而影 响切 割表 面质量 的因素很 多 ， 如激 光 、 聚焦 透镜 、 机 械控 制 系统 、 材 通过 试验得 出如下 主要结论 ： 料、 工艺 参数等 。 ５ ＿ １脉宽 、 频率、 电压 、 激光 功率 、 切 割速度 、 保 护气体 压力 等工艺参 ３ ． ２激光切 割质量检 验标准 数 的确定 只与零件 材料及厚度 有关 ， 与切缝 形状及 大小无关 。 切割 质量 主要对 切 口表面形 貌做 纹 度 、 表 面粗 糙度 ） 、 切 口的垂直 ５ ． ２在加 工每 批正 式产 品前 ，先对 相 同材料及 厚度 的试 片进 行试 度、 背 面挂渣 量 、 尺 寸精度等 要素来 评价 。我公 司产 品切 口表面质 量 的 切 ， 切 割质量稳 定后 ， 固化 加工参数 和数控程 序。 检验 方法有 两种 ： 一是 目视检查 ； 二是 重熔层检 查 。 在今 后 的工作 中 ， 继续 在航 空产 品 中 ， 开展 不 同材料 、 不 同厚 度 的 ３ － ３打孑 Ｌ 点位 置 激光切割试验 ， 建立激光切割工艺参数数据库 ； 开展激光三维切割及打 激光切割 要从一 个起始 点开始 切割 ， 这 个点 被称为 打孔点 ， 即指激 孔工 艺技术 研究 。 光束 开始 一次完 整 的轮廓切 割之前 在板上击 穿 的一
工 业 技 术
２ ０ １ ３ 年 第３ 期Ｉ 科技创新与应用
不 同材 料 激光 切 割 加工 的工 艺研 究
温 冠 云 黄鹏 跃
（ 哈 尔滨东安发动机 （ 集 团） 有 限公 司， 黑龙 江 哈 尔滨 １ ５ ０ ０ ６ ６ ）
摘 要： 目前 ， 在 航 空发 动机 产 品 中 ， 很 多零 件 需要 进 行 孔 的加 工 ， 为 了高 效 、 准 确 的 加 工 出高 质 量 的孔 ， 激 光切 割 无疑 是 较 好 的 加工方法， 本 文根 据 我 公 司研 制 产 品 结 构及 设 计 要 求 开展 了针 对 航 空产 品 加 工 孔 时 进 行 不 同 材料 的 工 艺研 究 ， 阐述 了激 光 切 割 的 基本 原 理 ， 确 定 了不 同金 属 板 材 激 光切 割 工 艺试 验 方案 ， 得 出 了工 艺试 验研 究 的结 论 。 关键词： 材料 ； 激 光 切割 ； 工 艺研 究
１ 激 光是原 子核外 电子受 激辐射 经光 放大 而形成 的光辐射 。它能 有效 地解 决传统 加工 方法无 法解决 的问题 ， 尤其是 那些 高硬度 、 高脆性 材料 的切割 加工 。 １ ． １激光 切割 的过程 激光 是利用经过 聚焦 的高功率激光 束 （ 常用 Ｃ ０ ２ 连续 或 Ｙ Ａ Ｇ脉 冲 激光 ） 照射被加工物体表面 ， 并辅助同轴喷射具有一定压力的气体（ 可 以是压缩 空气 、 氧气或惰 性气 体如氮 气 、 氩气 等 ） ， 光束 的能 量 以及活性 辅助气体 与 工件材质 发生化 学反应 的反应 热被 材料 吸收 ，使材 料熔化 甚至汽化 ， 随着光束与工件的相对移动 ， 最终在工件上形成切缝。 １ ． ２激 光切割 的特 与线 切割 、 慢 走丝 、 电脉 冲等 切割方 法相 比 ， 激光切 割无磨 损 、 零 件 不受外 力 ， 效率 高 ， 噪声 低 ， 精度 高 ， 生产 成本 低 ， 质 量可靠 等优 点 ； 与电 子束相 比 ， 激 光加工 不受 电磁 干扰 。 目 前所涉及激光切割加工的产品共 ３ ０ 余种零件，涵盖了静子环、 导 向器 、 扩压 器 、 燃烧 室 、 风扇机 匣等产 品 ； 材 料 主要分 为 ３ 类： 不锈 钢 、 钛合金 、 高温合金 ； 加工 的结构 主要为切不 同形状 的孔 。 ２激光 切割原理 与试验