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激光切割国产中厚板中几个问题的探讨

2016-5-30 来源：三菱电机自动化（中国）有限公司作者：- 访问量：

激光加工作为一种先进的材料切割手段，已经越来越为钣金生产者所接受。随着计算机控制技术和光学技术的不断进步，人们对于其加工能力的期待也越来越高，这种期待不仅仅是对能够切，更是对切得好和切得快的期待。而能给予回答的当然离不开加工机的性能，同时被加工材料优劣也直接影响回答的效果。

激光加工起步较早的欧美和日本，在上世纪80年代开始由激光加工机生产厂商对钢材生产提出了具体的质量要求，从而有了区别于普通钢材但价格偏高的激光专用钢材。而随着激光加工成为主要的切割手段被接受后，25mm以下普通钢板就以激光专业材料作为标准材料了。然而，由于中国的发展太快，钢材生产来不及适应，就有了中国钢材与进口钢材之分。其主要区别在于钢材中杂质含量和对钢材表面的处理以及运输保管等一系列原因，造成了中国板材切割难的现状。

当今中国的粗钢产量不仅是世界第一，更是超过了全球产量的50%，发展中国家甚至一些像澳洲韩国等发达国家为节约成本也在大量使用中国板材，因此与其期待中国钢材来适应激光切割不如研究和提出能够优质地加工劣质材料的方法和提案。本文提出其中的一些思考以抛砖引玉。

【在中厚板加工中遇到的问题】

1. 碳钢厚板穿孔问题

在厚板加工中穿孔时间占很大比重，各激光厂商纷纷开发了快速穿孔的技术，较为有代表性的是高能穿孔（炸孔），这种方法的优点是速度快（1秒，以t16mm为例—以下相同），但缺陷是不仅影响对小形状的加工，穿孔时注入的巨大能量使板材温度升高进而影响接下来的整体切割过程。而用小功率脉冲进行穿孔的话，时间就很长（12秒），会导致切割的效率下降和单位成本的提高。

2. 切割面品质问题

图1.和图2.示出了加工中厚板时经常会遇见的切割断面，这样的切割不仅成品质量受到质疑，还会伴随着过烧和严重的粘渣出现，以致体现不出高价的激光加工机区别于其他切割手段的价值。

图1.碳钢切割面图2.不锈钢切割面

3. 整板加工稳定性问题

在对国产钢材的整板加工中，经常会出现局部区域加工不良的现象。这种现象有时很随机，即使在加工机状态良好的情况下也会出现。为了处理局部故障品而大大地影响了整个工作进度，这里对此不明原因的加工失败也给出一些笔者的分析和对策提案。

【针对上述问题的解决方案】

1. 高峰穿孔（HPP）方案

顾名思义就是利用占空比小的高峰值脉冲激光，辅以喷射在材料表面上的不燃油以清除开孔边缘附着物，控制脉冲的合理频率边冷却边穿孔。其特点是相对炸孔虽然时间稍长（3秒），但穿出的孔径小（约φ4mm）且开孔边缘无附着物以及入热较低，便于接下来的正常切割加工，相比普通穿孔则效率提高了4倍。图3.示出了普通穿孔、HPP穿孔和高能穿孔的区别。

图3.高能穿孔HPP穿孔

2. 切割断面改善方案

对于碳钢来说改善切割断面的重要因素是控制对板材的入热并能保证激光照射部分的充分燃烧。三菱电机开发的K-CUT加工条件较好的完成了这一使命。图4.是在同一块国产板材上用传统条件和K-CUT条件进行切割的效果比较。而对于不锈钢来说改善切割断面的重要因素则是光束的改良（改善焦深）与辅助气体的有效利用。亮面切割技术就是改善了发振器和喷嘴所得到的结果。图5.是改善后的效果。断面上部粗糙度8μ、下部12μ堪比机械加工。

图4.碳钢中厚板K-CUT效果

图5.不锈钢中厚板亮面切割效果

3. 保证加工稳定性的方案

当前为了提高加工机的运行速度，激光机多采用俗称飞行光路的结构，即材料托盘不动而加工头在整个可加工区域内运动的形式。而为了补偿加工头与光源相对位置的变化，各厂商也尽可能保证光斑在加工范围内的一致性，使用曲率可变折射镜是普遍选择的方式。这种方法虽然结构简单却会改变焦深，使在对焦深极为敏感的中厚板切割时会显得力不从心（既要保持光斑不变又要保持焦深不变）。三菱电机采用的等长光路方式（在可加工范围内光源与加工头之间光传播路径等长）可避免焦深变化，从而使光斑和焦深都保持一致。另外对入热的重视使板材积累的热量得到控制，较好地解决了稳定性问题。图6.示出了等长光路的原理及在加工区域中不同位置的加工效果。

图6.等长光路原理及效果

认真对待加工中出现的问题，研究其产生的机理，寻找结局问题的方案。三菱电机通过对传统激光技术的一系列探索和改良，针对较为复杂的中厚板切割开发了新的技术并将其应用到eX PLUS、RX、XL等各系列产品中，满足了客户在加工国产中厚板材料中的实际需求，从而大大提高了生产效率。我们还将进一步努力探索更新的技术，解决更多加工中的疑难问题，服务于广大应用者。