钣金件激光切割质量控制方法分析

庄海洋

（漳州庆峰机械设备有限公司，福建 漳州 363000）

激光切割是最常用的钣金件切割方式，这种方式的采用，大大提升了零件切割的效率，但与此同时，如何确保切割质量，也成为了相关领域重点关注的问题。因此，对钣金件激光切割质量控制方法进行分析，具有重要的意义。

1 光纤切割机激光器的特点和优势

金属激光切割机是利用数控软件通过电脑控制机械系统实现自动化切割。根据激光发生器的不同，目前市面上激光切割机大致可分为三种：光纤激光切割机，CO2激光切割机，固体（YAG）激光切割机。光纤切割机通过光纤传输，柔性化程度空前提高，故障点少，维护方便，速度奇快，切割速度最大速度可达45m/min。光纤激光器的输出波长为1.064微米，输出的光束质量好，功率密度高，有利于金属材料的吸收，具有卓越的切割性能，加工的费用最低。光纤激光的光电转化率高达25%以上，在电费消耗、配套冷却系统等方面光纤的优势显著。

2 钣金件激光切割质量评价标准

激光切割质量控制的要素主要有两方面：一是切割尺寸精度高低；二是切割断面质量好坏。观察和触碰是检查钣金件切割断面质量的主要方式，钣金件切割断面的质量标准为以下两点：一是钣金件整体切割均匀流畅，且表面无烧灼和缺陷，切口断面或下表面无挂渣，无毛刺等为衡量指标；二是钣金件切割断面较为整齐，由于切割的方式分为氧气切割和氮气切割，氧气切割的断面会呈现暗色；而氮气切割的断面则不会发生氧化反应，钣金件断面会比较明亮。图1 6.0mm 热轧板不规则切割断面，图2 3.0mm冷轧板毛刺严重。

目前常用的切割件精度检测方法有以下几种：一是快速样板检测；二是量具检测；三是三坐标检测；四是检具检测。

3 影响钣金件激光切割质量的因素和控制方法

图1 6.0mm 热轧板

图2 3.0mm 冷轧板

钣金件激光切割步骤较为烦琐，工序流程较多，致使在切割过程中很难确保钣金件的质量，为提升切割质量，需要对激光切割的各项环节进行有效的把控。

3.1 影响激光切割质量的因素

（1）切割机原始切割参数，不能满足产品切割要求 ，切割时出现切割不透、断面纹路粗糙及断面表面氧化严重等现象。（2）编程排版不合理，切割中出现长料翘起，影响切割精度。（3）切割气体的压力不稳定及气体不纯，影响切割质量。（4）气体纯度不稳定，切割参数之间的相互影响，难以把握切割过程中参数调整的准确性。

3.2 控制方法

（1）设计零件工艺方案。高质量激光切割的前提就是设计零件工艺方案，在设计工艺方式时，需要注意以下方面的事项：一是尽可能降低板料的变形程度；二是合理布置激光切割的定点位，确保板材平面的稳定性。三是明确工艺路线，工作需要所选择的切割路线应具有较强的可行性，避免切割路径碰撞问题的发生；四是在切割零件工艺之前，需要对板材支撑架制作的便捷性进行考虑。

（2）切割板材支撑架。在切割过程中常用的板材支撑架是格栏栅（如图3）。

图3 格栏栅

格栏栅对于刚性较高的零件切割效果较好，格栏栅的优势为制作难度低、效率高、使用便捷，且造价低。其缺点为格栏栅容易对切割件造成二次伤害，特别是对镀锌板切割时，表面质量很难控制。对于0.6mm 厚度以下的板材容易变形，影响质量和速度。所以企业要根据格栏栅损耗程度及时更换，以保证产品切割精度和表面质量。

（3）设计切割程序和加工流程。工作人员可以使用编程软件完成切割程序的设计。在设计程序时，工作人员应注意以下几方面要点：

必须要遵循从小至大、由内到外的切割原则，简言之，就是先切割小孔，然后再切割大孔，最后才能切割外部轮廓，这样做有利于切割过程中由于零件应力释放导致的零件变形最小，切割精度会得到提升。

应确保切割程序衔接过度的稳定性和顺畅性，避免在切割过程中，出现切割头摆动幅度过大的问题，如果问题无法避免，应通过减缓切割速度的方式，尽量保证切割的质量。

激光切割头的每点位置应该尽可能沿着该点的法向，这样才能保证切割断面垂直整齐。

切割工艺流程：吊运上料→检查→选调程序→设备调整→首件切割→首件检查→调整参数→确定最佳参数→配件检查合格→切割下料。

（4）选择切割工艺的参数。在钣金件切割过程中，应做好工艺参数的选择，具体表现在以下四个方面：

一是选择切割的功率及切割方式。钣金件在实际切割过程中，常用的切割方式有熔化切割和氧化熔化切割。熔化切割的主要辅助气体为氮气，在使用这种切割方式时，激光会对切割件进行加热，直到零件的温度符合熔化切割的标准，熔化切割时，激光需要将材料加热至熔点温度，因此，激光器会长期处在高负荷的工作状态，设备中的高压氮气会吹走已经熔化的材料，从而在零件上形成切割断面。这种切割方式在切割金属零件时，可以取得良好的效果，例如，不锈钢、铝等。氧化熔化切割使用氧气作为辅助气体，材料表面在激光束照射下加热到燃点温度，与氧气发生燃烧反应，放出大量热量，材料进一步被加热。以碳钢为例，铁在氧气中燃烧：3Fe+2O2=Fe3O4现象：①剧烈燃烧，火星四射；②放出大量热量；③生成一种黑色固体（四氧化三铁Fe3O4）。在燃烧过程中会释放热量，后辅助气体会将燃烧过程中生成的氧化物吹散，形成切缝。这种切割方式在碳钢切割中效果显著。氧气流速越高，燃烧氧化反应和去除熔渣的速度也越快。切割过程有两个热源：激光束照射能和氧化反应所产生的热能。氧化熔化切割氧化反应所产生的热能占切割所需能量的60%。例如，在切割5 ～10mm 碳钢板时，激光功率只需1500W 左右即可；与熔化切割相比，氧化熔化切割可以显著降低所需的激光功率，这种切割方法效率较高，使用成本低。

二是选择切割速度和辅助气体的压力。切割件的厚度决定着切割速度选择，如果切割件的厚度较高，则要降低切割速度，反之亦然。以1500W 光纤激光机为例，切割1.2mm 厚度碳钢时，速度可达20m/min；切割3.0mm 厚度碳钢时，速度只有3m/min。如果激光切割的辅助气体是氮气，那么辅助气体将不参与燃烧，其主要功能为吹掉温度较低的液体态材料，此时应选择高气压。如果辅助气体为氧气，由于氧气在切割过程中会参与燃烧，故应选择低气压。

三是选择切割喷嘴。切割喷嘴的主要功能为加快辅助气体的喷射速度；可以防止熔渍向上反弹，达到保护聚焦镜的目的；向调高系统提供电容信号，从而保证调高系统稳定工作。同时喷嘴还可以对气体扩散面积进行控制，并且喷嘴尺寸大小于切缝的面积具有关联性，会对切割质量的造成影响，因此，企业应根据零件的厚度选择合适的喷嘴尺寸。1500W光纤激光机为例，切割3mm 以下碳钢板时，选择Φ1.8mm 单层孔径的喷嘴，切割6 ～10mm 碳钢板时，选择Φ4.0mm 孔径的双层喷嘴。不过由于喷嘴的孔径越大，对于聚焦镜的保护作用越小。因此，选择合理的激光切割机喷嘴孔径，才能更有效地进行生产。

四是选择焦点位置。①0 焦距，切割焦点位于切割材料的表面，工件表面具有不同的光滑度，一般来说，靠近焦点的切割表面相对光滑，远离切割焦点的下表面显得粗糙。②焦点定位在工件里面称为正焦距，这种焦点远离切割表面，切割幅度相对比0 焦距大，这种切割下需要的切割气流要大，温度要足，切割穿孔时间稍长点。主要适用不锈钢或者铝材等硬度大的材质。③负焦距，切割焦点位于切割材料上面，主要是在切割厚度高的金属板时用到。负焦距切割厚板需要的切割幅度大，容易造成喷嘴输送的氧气不足而使得切割的温度下降，切割的表面相对粗糙，不适合于高精度的精密切割。图4 切割断面质量与参数关联图。

图4 切割断面质量与参数关联图

（5）根据切割件生产批量选择精度检测方法。目前常用的切割件精度检测方法有以下几种：一是快速样板检测；二是量具检测；三是三坐标检测；四是检具检测。在批量生产中，首件检验及过程检验一定要保证，首件检查→调整参数→确定最佳参数，其中第一种和第二种检测方法比较适用于小批量的试制环节。而第三种和第四种检测方法，则适用于大批量的检测。企业应根据零件数量和特点，合理的选择检测方法。

4 结语

综上所述，现阶段光纤激光切割被广泛应用于工业领域，并取得了显著的效果，为进一步提高钣金件切割的质量，确保切割精度，相关企业应采用合理的质量控制方法，并将其应用于钣金件切割的全过程，以此保证切割质量。