高功率光纖激光切割中厚碳鋼板的安全與工藝研究

濟(jì)南邦德激光股份有限公司 張建柱

■光纖激光切割基本原理

光纖激光切割機(jī)可以切割金屬片材和金屬管材，在耗材、效率、環(huán)保等方面也領(lǐng)先于其他傳統(tǒng)金屬切割工藝。正確使用光纖激光切割機(jī)不僅有利于保持切割精度，確保人員安全，還能延長設(shè)備使用壽命。本文采用12kW，MAX 光纖激光器對Q235-A 碳鋼進(jìn)行系統(tǒng)的激光切割工藝實(shí)驗(yàn)，通過對工藝參數(shù)的調(diào)整,研究切割速度、噴嘴距離板材表面距離、焦點(diǎn)位置、氧氣壓力對激光切割質(zhì)量的影響后，進(jìn)一步總結(jié)調(diào)試激光切割碳鋼參數(shù)的方式方法，采取最合適切割碳鋼板的工藝參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)激光切割碳鋼板時(shí)工藝參數(shù)合理化和標(biāo)準(zhǔn)化，從而使高功率光纖激光在切割中厚碳鋼板中得到更為廣泛及安全的應(yīng)用。光纖激光切割是利用高功率密度的激光束掃描過金屬材料表面,在極短時(shí)間內(nèi)將金屬材料加熱到幾千甚至上萬攝氏度,使金屬材料熔化或氣化,再用輔助氣體將熔化或氣化的物質(zhì)從金屬切縫中吹出,達(dá)到切割金屬材料的目的。碳鋼板材激光切割主要分為熔化切割和氧化切割，如圖1。

圖1 激光切割原理和切割頭原理示意圖

（1）熔化切割原理

當(dāng)一定功率密度的激光束照射在金屬材料表面時(shí)，會造成其表面至上而下開始熔化蒸發(fā)，形成孔洞，作為黑體吸收所有的入射光束能量。孔洞被融化金屬壁包裹后，與光束同軸的輔助氣流把孔洞周圍的熔融金屬材料吹除帶走，不與金屬發(fā)生反應(yīng)。隨著金屬與激光光束之間的相對移動，即形成割縫。

（2）氧化切割原理

激光氧化切割使用活潑的氧氣作為輔助氣體。由于氧氣與已熾熱了的金屬材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出大量的熱量，使得金屬材料進(jìn)一步被加熱。金屬材料表面在激光束照射下很快被加熱到燃點(diǎn)溫度，與氧氣發(fā)生強(qiáng)烈的燃燒反應(yīng)，放出大量反應(yīng)熱量，在此熱量作用下，金屬材料內(nèi)部形成充滿蒸汽的小孔，而小孔周圍被熔化的金屬材料所包圍，使燃燒物質(zhì)轉(zhuǎn)移成熔渣。通過控制氧氣流速和金屬材料的燃燒速度，將割縫出口處的反應(yīng)產(chǎn)物即金屬氧化物排出，即完成切割。

■激光切割實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用BECKHOFF（倍福）激光切割數(shù)控系統(tǒng)，深圳創(chuàng)鑫公司生產(chǎn)的MFMC激光器，最大輸出功率為12kW，傳輸光纖芯徑為100μm，光束質(zhì)量參數(shù)BPP（光束參數(shù)乘積）為4mm·mrad。切割頭為德國Precitec2.0,為透鏡式聚焦，準(zhǔn)直焦距為100mm，聚焦焦距為200mm，聚焦光斑直徑為0.2mm，能夠承受的最大激光功率為20kW。

實(shí)驗(yàn)材料采用Q235A 低碳鋼板（冷軋），進(jìn)行切割并采集數(shù)據(jù)，探究激光切割碳鋼最佳調(diào)試方法。輔助切割氣體采用體積分?jǐn)?shù)為99.9%的氧氣，切割圖形為50mm 的方形。Q235A 低碳鋼板的主要化學(xué)成分如表1。碳鋼的物理特性對激光切割有著重要影響，如激光的吸收率、反射率等，Q235A 低碳鋼的物理特性如表2。

表1 Q235A 的化學(xué)成分

表2 Q235A 的物理特性

■影響中厚碳鋼切割質(zhì)量主要因素的分析試驗(yàn)

根據(jù)影響激光切割碳鋼質(zhì)量的因素，選取10mm、16mm、18mm、20mm、25mm 厚度的Q235A低碳鋼板進(jìn)行切割試驗(yàn)，對切割斷面效果進(jìn)行對比分析。（注：設(shè)備運(yùn)行時(shí)間長時(shí)產(chǎn)生的不穩(wěn)定性需在長時(shí)間切割時(shí)才會表現(xiàn)出來，在此不做試驗(yàn)比較。）對選取的不同厚度的碳鋼進(jìn)行工藝優(yōu)化后，得到的最佳工藝參數(shù)如表3。

表3 最佳工藝參數(shù)

（一）碳鋼切割工藝參數(shù)的影響

根據(jù)最佳切割參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，最佳標(biāo)準(zhǔn)為切割面下部無毛刺，切割面平滑。通過采用控制變量法，分別從切割高度、焦點(diǎn)位置、切割氣壓、切割速度4 個方面進(jìn)行試驗(yàn)，可以直觀地驗(yàn)證切割效果的變化。

1.切割高度H（mm）

切割高度H（mm），即噴嘴距離板材表面的距離。在高功率激光切割碳鋼時(shí)，合適的切割高度，對切割截面的質(zhì)量影響至關(guān)重要。根據(jù)不同厚度的碳鋼，切割高度設(shè)置不同，通過每次調(diào)整相應(yīng)的數(shù)值，各切割1次，做好數(shù)據(jù)記錄并比較切割的狀態(tài)，最終取得切割效果最佳的高度值。經(jīng)多次切割試驗(yàn)，得到的激光切割碳鋼截面狀態(tài)如圖2。

圖2 碳鋼切割截面狀態(tài)

理論上碳鋼切割高度越低，離板面越近，光束傳播質(zhì)量越高，氣體流向也較小，在不影響電容感應(yīng)的情況，切割高度越低越好。但對于中厚碳鋼板來說，正焦切割，切割高度太高，氧氣純度和壓力將折損較多，切割高度太近會影響熔渣排出能力。所以對中厚碳鋼板來說，切割高度在1mm 左右時(shí)，碳鋼截面質(zhì)量較好。

（2）焦點(diǎn)位置F（mm）

焦點(diǎn)位置是激光焦點(diǎn)到碳鋼表面的距離，它直接影響到截面粗糙度、切縫坡度和寬度，以及熔融殘?jiān)母街鵂顩r。根據(jù)焦點(diǎn)的偏移量進(jìn)行調(diào)整，保持其他參數(shù)不變。每變化一個固定值，切割1 次，做好記錄，并比較切割面的質(zhì)量，以確定切割最佳的焦點(diǎn)位置。通過以上步驟，經(jīng)多次切割試驗(yàn)，得到各種厚度碳鋼的激光切割碳鋼截面狀態(tài)，見圖3。

圖3 碳鋼切割截面狀態(tài)

在特定條件下，碳鋼正焦切割時(shí)，焦點(diǎn)在切割材料的上方，光束到達(dá)碳鋼表面后照射范圍變寬，并在切縫內(nèi)擴(kuò)散，使切縫下部比上部大，有利于氧氣到達(dá)碳鋼底部參與充分的氧化反應(yīng)；同時(shí)，碳鋼底部較大的切縫也有助于熔渣的排除。

對于碳鋼的氧氣切割來說，在一定焦點(diǎn)范圍內(nèi)，正焦點(diǎn)的偏移量越大，碳鋼表面光斑尺寸越大，熔化和氧化反應(yīng)恰到好處，碳鋼切割面就越明亮和越光滑；而超出一定范圍，激光束的整體能量不足，切割面完全靠氧化反應(yīng)的熱量形成，造成碳鋼下部紋路傾斜嚴(yán)重。也會造成碳鋼切不透或底部掛渣。（注：在實(shí)際切割應(yīng)用中，需根據(jù)切割需求，選擇合適的焦點(diǎn)。）

（3）切割氣壓P（KPa）

通過比例閥調(diào)整切割氣體的壓力大小，氣壓從40KPa～100KPa逐步調(diào)整，保持其他參數(shù)不變，其中1MPa（兆帕）=10bar（巴）=1000KPa（千帕）。

氧氣氣壓每增加一定值，切割1 次，比較切割截面質(zhì)量，確定切割氣體壓力值。通過以上步驟，經(jīng)反復(fù)切割試驗(yàn)，得到的激光切割碳鋼截面 狀態(tài)見圖4。

圖4 碳鋼切割截面狀態(tài)

該試驗(yàn)條件中，在確保氧氣純度的前提下，氧氣壓力不足，不能完全吹走熔融物，碳鋼下表面就會粘附沾渣，粗糙度增加并且切割速度不能提升；如果氧氣壓力偏大，碳鋼表面出現(xiàn)渦流，削弱去除熔融物的能力，導(dǎo)致切縫變寬、切割面粗糙和切割質(zhì)量變差的情況。

使用氧氣切割碳鋼主要反應(yīng)為化學(xué)反應(yīng)，其中氧氣有助于散熱及助燃，吹掉溶漬，提高碳鋼切割截面質(zhì)量。為了平衡碳鋼中碳的灼燒產(chǎn)生更高的熱量以及鐵的化學(xué)反應(yīng)，在調(diào)節(jié)氧氣氣壓時(shí)要注意壓力不可過大。同時(shí)也要注意比例閥的控制范圍：一般越接近比例閥的壓力最低控制范圍，碳鋼切割的截面越明亮。因此切割時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)合適的氧氣壓力，才能得到最佳的碳鋼截面切割質(zhì)量。

（4）切割速度S（m/min）

切割速度選擇是根據(jù)碳鋼的材質(zhì)和厚度來確定的。通過對不同厚度碳鋼的切割速度進(jìn)行調(diào)整，每改變一定的速度值，則切割1 次，做好記錄比較切割質(zhì)量，確定切割質(zhì)量最佳狀態(tài)的切割速度。經(jīng)試驗(yàn)，得到激光切割碳鋼截面狀態(tài)見圖5。

圖5 切割截面狀態(tài)

激光切割加工中，切割速度對碳鋼板的截面質(zhì)量有很大的影響。在特定條件下，切割速度與切割質(zhì)量并非成線性關(guān)系。合理的切割速度是一個范圍值，低于此范圍則激光束的能量過多停留在碳鋼表面形成過燒，高于此范圍則激光束能量來不及完全熔化碳鋼，熔融物不能及時(shí)被吹掉，將會使切縫重新焊接，導(dǎo)致不完全切割的現(xiàn)象。通過進(jìn)行激光切割的試驗(yàn)，可以進(jìn)一步掌握中厚碳鋼的切割工藝參數(shù)調(diào)試方向，為高功率光纖激光切割設(shè)備調(diào)試提供一個參考標(biāo)準(zhǔn)，以達(dá)到切割時(shí)的安全、穩(wěn)定及一致的效果。

■光纖激光切割機(jī)安全注意事項(xiàng)

1.制定嚴(yán)格安全操作規(guī)程，生產(chǎn)時(shí)按照說明進(jìn)行規(guī)范操作；光纖激光切割機(jī)操作人員，必須經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，具備資格才能上崗操作；

2.指定激光安全管理區(qū)域，在管理區(qū)域的出入口設(shè)立安全警示標(biāo)識，提醒內(nèi)容包括：安全區(qū)域范圍、激光加工機(jī)的功率、激光種類、風(fēng)險(xiǎn)提示、禁止外人進(jìn)入、注意保護(hù)眼睛等風(fēng)險(xiǎn)提示內(nèi)容；

3.工作區(qū)不應(yīng)有易燃易爆物品存在，同時(shí)具有相應(yīng)的消防防范設(shè)施；

4.設(shè)備在工作時(shí)，操作員不得擅自離開工作崗位或托人照看，應(yīng)當(dāng)斷電或停機(jī)；

5.光纖激光切割機(jī)操作者或在激光使用期間接近激光的人員，應(yīng)佩戴激光防護(hù)鏡，穿防護(hù)衣，在配戴防護(hù)鏡加工區(qū)域內(nèi)有良好的照明條件，以保證操作者順利操作；

6.在未弄清材料是否能適用激光切割時(shí)，應(yīng)進(jìn)行必要技術(shù)甄別，以免產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。

■結(jié)論

作為一種先進(jìn)的加工手段，高功率激光切割加工技術(shù)在我國已得到不斷發(fā)展與進(jìn)步，且日漸成熟，越來越為廣大加工品生產(chǎn)者所接受。

并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，高功率激光切割加工的前景十分光明。但在現(xiàn)階段激光切割加工仍然存在一些問題，特別是在高功率激光切割中，影響切割質(zhì)量和安全的問題還有很多，使機(jī)械與電氣間的互為銜接更為復(fù)雜，而且是多種因素并存，稍有不慎就會帶來不可估量的安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。通過對切割工藝進(jìn)行持續(xù)不斷的科學(xué)探究、改進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新等，既為提升高功率激光切割機(jī)的運(yùn)行效率，也可探討出益于企業(yè)生產(chǎn)中安全性和穩(wěn)定性的方法，對推動企業(yè)營建可持續(xù)健康發(fā)展的安全運(yùn)行保障環(huán)境具有重要意義。