激光切割國產中厚板常見問題探討
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激光加工作為一種先進的材料切割手段，已經越來越為鈑金生產者所接受。隨著計算機控制技術和光學技術的不斷進步，人們對于其加工能力的期待也越來越高，這種期待不僅僅是對能夠切，更是對切得好和切得快的期待。而能給予回答的當然離不開加工機的性能，同時被加工材料優(yōu)劣也直接影響回答的效果。
激光加工起步較早的歐美和日本，自19世紀80年代起，由激光加工機生產廠商對鋼材生產提出了具體的質量要求，從而有了區(qū)別于普通鋼材且價格偏高的激光專用鋼材。而隨著激光加工成為主要的切割手段被接受后，厚度25mm以下的普通鋼板就以激光專業(yè)材料作為標準材料了。然而，由于中國的發(fā)展太快，鋼材生產來不及適應，就有了中國鋼材與進口鋼材之分。中國板材由于其雜質含量、對鋼材表面的處理以及運輸保管等，造成了切割難的現狀。 當今中國的粗鋼產量不僅是世界第一，更是超過了全球產量的50%，發(fā)展中國家甚至澳洲、韓國等發(fā)達國家為節(jié)約成本也在大量使用中國板材，因此研究并提出能夠優(yōu)質地加工劣質材料的方法和提案，具有十分實用的現實意義。本文提出其中的一些思考以拋磚引玉。 1、中厚板加工中遇到的問題 ?。?）碳鋼厚板穿孔問題。在厚板加工中穿孔時間占很大比重，各激光廠商紛紛開發(fā)了快速穿孔的技術，較為有代表性的是高能穿孔（炸孔），這種方法的優(yōu)點是速度快（1s，以厚度16mm為例，以下相同），但不足是其影響對小形狀的加工，穿孔時注入的巨大能量使板材溫度升高進而影響接下來的整體切割過程。而如果用小功率脈沖進行穿孔，時間就會很長（12s），將導致切割的效率下降和單位成本的提高。 ?。?）切割面品質問題。圖1和圖2所示是加工中厚板時經常會遇見的切割斷面，這樣的切割不僅成品質量受到質疑，還會伴隨著過燒和嚴重的粘渣出現，以致體現不出高價激光加工機區(qū)別于其他切割手段的價值。
?。?）整板加工穩(wěn)定性問題。在對國產鋼材的整板加工中，經常會出現局部區(qū)域加工不良的現象。這種現象有時很隨機，即使在加工機狀態(tài)良好的情況下也會出現，為了處理局部故障品而大大地影響了整個工作進度。對此不明原因的加工失敗，提供如下分析和對策提案。 2、解決方案 ?。?）高峰穿孔（HPP）方案。顧名思義就是利用占空比小的高峰值脈沖激光，輔以噴射在材料表面上的不燃油以清除開孔邊緣附著物，控制脈沖的合理頻率，邊冷卻邊穿孔。其特點是雖然相對于炸孔時間稍長（3s），但穿出的孔徑小（約φ 4mm）且開孔邊緣無附著物以及入熱較低，便于接下來的正常切割加工，相比普通穿孔則效率提高了4倍。高能穿孔和HPP穿孔的區(qū)別如圖3所示。
（2）切割斷面改善方案。對于碳鋼來說，改善切割斷面的重要因素是控制對板材的入熱，并能保證激光照射部分的充分燃燒。三菱電機開發(fā)的K-CUT加工條件較好地完成了這一使命。圖4所示為在同一塊國產板材上分別用傳統條件和K-CUT條件進行切割的效果比較。而對于不銹鋼來說改善切割斷面的重要因素則是光束的改良（改善焦深）與輔助氣體的有效利用。亮面切割技術就是改善了發(fā)振器和噴嘴所得到的結果。圖5所示是改善后的效果。斷面上部表面粗糙度值Ra=8μm、下部Ra=12μm，堪比機械加工。
?。?）保證加工穩(wěn)定性的方案。為了提高加工機的運行速度，激光機多采用俗稱飛行光路的結構，即材料托盤不動而加工頭在整個可加工區(qū)域內運動的形式。而為了補償加工頭與光源相對位置的變化，各廠商也盡可能保證光斑在加工范圍內的一致性，使用曲率可變折射鏡是普遍選擇的方式。這種方法雖然結構簡單卻會改變焦深，使在對焦深極為敏感的中厚板切割時會顯得力不從心（既要保持光斑不變又要保持焦深不變）。三菱電機采用的等長光路方式（在可加工范圍內光源與加工頭之間光傳播路徑等長）可避免焦深變化，從而使光斑和焦深都保持一致。另外對入熱的重視使板材積累的熱量得到控制，較好地解決了穩(wěn)定性問題。等長光路的原理和在加工區(qū)域中不同位置的加工效果如圖6所示 |
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