激光切割装备在航空零部件制造中的应用

赖仁享 程国祥 谢居懿 张有富

1. 概述

大族激光的G3015—DC025数控激光切割机设备适用于10、45、1Cr13、1Cr17Ni2等结构钢，以及不锈钢板料的下料，可加工厚度依据材料硬度不同而变化，一般≤8mm。但该设备引进后未能提供各种板料的激光切割参数，导致激光切割后零件的激光切割痕迹、挂渣严重及缺口，在采用激光切割机切割高强度合金钢厚板时，经常出现切割处熔渣大、边缘质量差等质量问题，需要对激光切割机的起刀方式及激光切割参数进行优化来提高高强度合金钢厚板边缘切割质量。

2. 切割过程与结果

（1）选取典型材料 根据车间零件现状，选取具有代表性的材料进行切割试验。材料为30CrMnSiA，5mm。采用以下方式进行激切切割优化试验，以得到最优参数及起刀方式。

（2）切割、穿孔参数优化 首先，切割参数分析。在保证切割质量的前提下，应尽可能的提高切割速度。这不仅提高生产率，而且能减少被割零件的变形量和割缝区的热影响区域。若切割速度不合适，其效果相反，而且会使沾渣增加，切割质量下降。

喷嘴高度是指喷嘴端面至被切零件表面的距离，该距离一般为0.5~10mm。该距离要合适才能充分发挥切割效率，否则会使切割效率和切割质量下降或使喷嘴烧坏。

增加气体压力能使能量更加集中、喷射力更强，因而可提高切割速度和质量。但气体压力过大，反而会使弧柱变短，损失热量增加，使切割能力减弱，直至使切割过程不能正常进行。

其次，切割、穿孔优化对比。我们根据试验材料的特性采用表1参数切出零件边缘，如图1所示，发现在该零件切割处有较多熔渣，属于不合格品。

图1 试验前边缘状态

表1 试验前边缘状态激光切割参数

根据首次切割得到的边缘状态，对激光切割参数（见表2）进行针对性调整切割速度、切割喷嘴高度、切割气体压力后并试切，切割零件边缘外观如图2所示，该参数切出的零件边缘质量优良、美观，达到了改进要求。

表2 试验后边缘状态激光切割参数

（3）起刀方式优化 我们选用经过优化后的切割参数并同时分别采用以下4种不同起刀方式进行切割，来验证起刀处最佳起刀方式。

第一，引线加封口：该方式为引线引入，起始点与终点不重和。该方式得出结果如图3所示，此方法得出的零件能做到外形与要求相符，但在起始切割点处有缺口，如图4所示。

第二，过烧引入：该方式不加引线，通过激光的高功率直接在起始切割点上进行切割。该方式得出结果如图5所示，此方法得出的零件能做到外形与要求相符，但在起始点处会由于高功率导致切口过大，如图6所示。

第三，加引线（直线、1/4圆、半圆）：该方式以不同的方式加引线引入，起始点与终点重和。该方式得出结果如图7所示，此方法得出的零件能做到外形与要求相符，但在起始点处有缺口，如图8所示。

第四，零件外圆加入零件引入线：该方式是在零件外圆加一条引入线作为零件部分进行切割。该方式得出结果如图9所示，此方法得出的零件能做到外形与要求相符，且起始点与终点处符合要求，如图10所示。

图2 试验后边缘状态

图3 引线

图4 缺口（引线加封口）

图5 过烧引入

图6 缺口（过烧引入）

图7 加引线

图8 缺口（加引线）

图9 零件外圆加入零件引入线

图10 无缺口

根据上述4种试验结果对比，不同的起割方式得出的零件外形与要求都能相符，但在起割处会有不同的缺陷。用引线加封口、过烧引入、加引线这三种方式起割，在起割处有形状不一的缺口；而在零件外圆加入零件引入线这种起割方式，零件外形与起割处都能得到非常优良的外形边缘质量。

（4）各种材料通用激光切割参数研究 针对10、45、1Cr13、1Cr17Ni2等结构钢，以及不锈钢常用板料的激光切割，我们通过气体、气体压力、切割功率、切割速度、焦点高度等基本参数的调节，最终确定，激光切割参数如表3所示。

如激光切割其他规格材料时，可按以下原则设定参数：

第一，激光切割结构钢（30CrMnSiA除外）板料时，采用O2切割，其气体压力基本上要求不大，只需有O2即可切割板料；切割功率与板料的厚度成正比，切割速度与板料的厚度成反比，焦点高度与板料的厚度成正比。

第二，激光切割不锈钢板料时，采用N2切割，气体压力与板料的厚度成正比，切割功率与板料的厚度成正比，切割速度与板料的厚度成反比，焦点高度与板料的厚度成反比。

第三，激光切割30CrMnSiA板料时，厚度＜3.0mm激切参数与不锈钢激切参数一致，厚度≥3.0mm激切参数与结构钢激切参数一致。

3. 结语

通过激光切割参数优化、起刀方式优化试验，我们较好的解决了结构钢、不锈钢板料激光切割后产生的激光切割痕迹、挂渣严重及缺口等问题，使零件表面质量得到较大的提升。

表3 结构钢、不锈钢激光切割参数