浅析影响激光切割的因素

李召华，张保元，王春净

（1.空军工程大学航空机务士官学校，河南 信阳 464000；2.95965部队）

激光切割是用经过聚焦的高功率密度激光束照射材料，光束输入的能量远远大于被材料反射、传导或者扩散的部分，这种热量使被照射处的材料快速的熔化、汽化。与此同时，与光束同轴的高速气流从切割头喷出，将熔化或者汽化的材料从切口的底部吹出，随着切割头和被切材料的相对运动，生成切口，从而实现切割材料的一种热切割方法。

切割方法有很多种，如氧气切割、氧-乙炔切割、锯割等，和这些切割方法相比，激光切割技术具有切割速度高、切割精度高、加工柔性好等特点，因此在航空航天、汽车轮船、机械制造、家用电器制造等各个领域中得到广泛的应用。

然而激光切割过程复杂，影响因素多，如果控制不当，无法满足实际加工需求。影响激光切割的因素有很多，是影响激光加工性能的各主要因素。加工质量的提高，离不开对这些要素的优化。

1 激光功率的影响

激光功率是直接影响加工材料熔融能力的参数。通过加大激光功率能够使切割的速度更快，能够切割更厚的工件，能够切割铝合金等高反材料。

在切割过程中，切割功率选择的是否合适，可以根据切割之后切割面的状态判断。功率大于最佳值时，切缝周围的热影响区会变大，尖角部分会出现被熔掉的现象。另外，切割面上拖曳线的间距也会变大，且从上部到下部呈直线状。功率小于最佳值时，切割面的下部粗糙度会明显变差，挂渣又多且硬，去除很困难。

功率为最佳值时，切割面上施曳线的间距会非常小，下部相对于加工的行进方向将稍呈滞后状态，对切缝周围的热影响也为最小，尖角部被熔掉的现象也比较少。

切割功率选择的是否合适，从可以根据切割过程中火花的溅射状况判断。在切割过程中，从加工材料的下部溅射出的火花的状态直接受切缝内熔融金属的流动状况影响。如果功率合适，从加工材料下方溅射出的火花是直线、稍滞后、纤细等形貌；功率设定不当时，在切割过程中从材料的下部溅射出的火花将表现为扩散、与切割行进方向呈反向滞后、变粗等形貌。

2 焦点位置的影响

相对于加工材料的表面而言，激光束聚焦后，焦点所在位置称为焦点位置。焦点位置对切缝的宽度、坡度、切割面的粗糙度、熔渣的黏着状态、切割速度等几乎所有的加工参数都会产生影响。这是因为随着焦点位置的变化，照射在加工材料表面的光束直径和射入加工材料的入射角产生变化，这会影响到切缝的形成状态及切缝内光束的多重反射状态。这些切割现象又会对切缝内的辅助气体、熔融金属的流动状态产生影响。

把焦点在加工材料表面上的状态设为Z=0，此时，可以在加工材料表面得到最大的能量密度，熔融范围比较窄，可进行高精度加工。不论焦点位置是向上移还是向下移，上部的切缝宽度都会变宽。这一变化在使用不同焦距的加工透镜时也存在同样倾向。焦点位置处的光束直径越小、透镜越是焦点深度小的短焦距透镜，则上部切缝随焦点位置的变化而变化的幅度就会越大。

3 喷嘴直径及高度的影响

喷嘴的直径决定着熔化、燃烧的可限制范围以及喷射于加工部位的辅助气体流量。喷嘴孔的直径大小必满足光束顺畅通过的要求。喷嘴直径过小，光束会被喷嘴口截射，切割速度慢，还会导致粗糙的切削表面；喷嘴直径过大，会使切缝过宽。

喷嘴高度是指被加工板材表面和喷嘴口之间的距离。喷嘴高度过高时，容易造成能量损失，从而出现切不透的现象。而喷嘴高度过低时，会影响切割时溅射物质的驱散能力，也可能使板材变形或者造成切割头损伤。比如，在喷嘴高度低的情况下切割圆孔时，产生的膨胀物和喷嘴接触，使圆孔变形，造成加工缺陷，故需要注意。因此，在切割加工时，要设置合理的喷嘴高度，一般设置喷嘴高度为1～2mm，在板材不是很平整的情况下，不同部位的加工高度略有不同，依靠激光设备自带的随动系统，可以小幅度自行调节喷嘴高度。

4 辅助气体类型及压力的影响

材料切割时，都要采用辅助气体。选择什么样的辅助气体以及气压的高低对激光切割效率和质量有很大影响。

辅助气体通常可采用氧气、氮气、惰性气体或压缩空气等，气体的种类将影响到加工质量与加工能力。在以氧气为辅助气体的金属切割中，氧气起着对加工材料燃烧的助燃，以及把熔融金属从狭窄的切缝内高效排出的作用。在碳钢材料的厚板切割中，主要利用氧气燃烧反应产生的热能进行切割，能使切割过程加速，提高了切割能力，但是其缺点是因为切割面产生化学反应生成一层氧化膜。

用氮气或空气进行切割时，辅助气体的作用就是把因激光束照射而熔化的金属从切缝的上部推向下部，从加工部的背面排出，防止在背面挂渣。气体类型不同，切割的效果和速度不同。一般来说，氧气的切割速度最快，氮气的切割效果最好，空气的切割成本最低。

当被加工零件的材质、板厚不同时，所需要辅助气体的压力条件也不同。切割铝材时，利用空气作为辅助气体，气压越高，沾渣就越少。使用氮气为辅助气体的不锈钢，无氧化，切割也有相同的倾向，气压越高，沾渣就越少。碳钢厚板切割中使用氧气为辅助气体，压力偏低时，沾渣量就增加，压力偏高时，就会出现烧损。用氧气为辅助气体切割不锈钢时，因为跟碳钢相比，氧化的熔融状态的金属的粘性更高，使用的气压也比碳钢切割时的气压更高。总之，无论对哪种材料切割加工，一般情况下，气压越高，切割速度会更快，而当气压达到某个值的时候，气体会对激光作用区产生干扰作用，切割速度反而会变慢。

5 与加工材料相关的要素

板材的材质和厚度会影响到激光能量的消耗。材料的表面状况会影响到激光束吸收的稳定性，而加工形状又会影响到热量的扩散。

材质：材料不同，性能不同，对激光束的吸收率也不同，因此，不同的材料具有不同的激光切割适应性。在激光切割加工的时候我们会看到光斑在工件上快速移动，光斑越小说明切割的质量越好。比如，像铜、铝等具有高反射率的材料，就不利于光斑的形成，所以对切割机的要求更高。

厚度：随着板材厚度的增加，所需要的激光功率越来越大，而需要的切割速度越来越低。对厚板加工时，若功率不够，切割速度过快，不容易切透。

表面状态：同种材质，表面状态不同，对光束的吸收也不同，特别是表面粗糙度和表面氧化层都会影响表面吸收率。一般来说，材料表面越平整，切割的质量越好。在激光切割过程中，要想提高材料的切割性能，可通过改变材料表面状态来实现。

影响激光切割的因素有很多，如激光功率、焦点位置、喷嘴直径及高度等，如果控制不当，很容易出现明显毛刺、烧蚀、切割面粗糙等质量问题。要防止或者减少这些质量问题的出现，在切割前，要根据板材的材质和厚度来设置相关工艺参数，在切割中一旦出现质量问题，要分析并找出导致质量问题的因素，调整相关工艺参数来改善加工质量。