钣金加工中的激光切割机应用研究

2020-12-19林乐锋

中国金属通报 2020年11期

林乐锋

（松下冷机系统（大连）有限公司，辽宁大连 116600）

随着工业4.0时代的到来，工业对技术的要求也逐渐增高，而对于切割技术来说，相关资料显示，激光切割正视钣金加工中切割技术工艺的重中之重，占比会超过70%，可见在钣金加工中的应用广泛程度。激光切割技术作为激光加工工艺中，较为重要的一项，其优势早已被相关企业所认同，彰显巨大的技术价值，从业者应当正确认识当前社会背景下，激光切割技术的应用现状，拓宽技术的应用空间，进一步发掘激光切割技术潜能[1]。

1 激光及激光切割机概念浅谈

1.1 激光概念分析

激光切割机的主要工作原理，是借助激光光束切割材料，因此在分析激光切割机之前，首先需要针对性分析激光。激光在光物理性质上属于相干光的一种，相较于普通光束，在单色性能方面，相干光光束具有优良性能和较大能量密度，并且具备较好的导向性能与高亮度，整体性能较好，用途相对广泛，在各行各业都有机会大显身手。无论是医学中的激光治疗方案，还是医美行业的激光祛斑，或是工业生产的激光切割、打孔等等，都可以看出激光的广泛用途。文章主要强调对激光切割机的工作原理进行探讨，强调研究激光的热量与密度[2]。

1.2 激光切割机工作原理

钣金加工中，激光切割机主要工作原理为，利用激光光束在钣金材料表面集中，当发出激光之后就会促成光能向热能转化，光束在聚焦过后会比单个光束产生更高热量，这种短时间产生的热量会迅速上升到钣金材料熔点，熔点之后达到沸点，这样就在产生较高温度的短时间内，令钣金材料达到熔化进而汽化，一旦汽化，就会在激光照射点处呈现孔洞，孔洞精准性较强。在孔洞出现的同时，激光切割机基于设备自身导向性能，提前设置预设移动路径，进而方便激光光束移动。在激光光束移动的过程中，钣金材料如果接触到激光光束，就会不断进行熔化汽化的反应，这种反应不断增多，就会由点成线，在钣金材料表面呈现激光裂缝，也就是完成了激光切割工作任务。

2 激光切割技术分类及优势

2.1 激光切割技术分类

激光切割有很多分类标准，通常基于激光切割原理与激光器的角度分类情况较多，也有按照切割材料、组成结构和工作空间进行分类的情况。如果按照激光器类型分类，可分成光线激光切割、二氧化碳激光切割和YAG激光切割。如果按照切割原理进行分类，则可以分成高压气聚焦熔化切割、汽化切割、和氧化熔化切割。其中高压气聚焦熔化切割的技术实质为，如果入射激光束密度功率超过特定值之后，被激光光束照射的钣金材料，会从内部开始蒸发，进而形成孔洞，进而继续对入射光束能量，形成较好的吸收作用。小孔周围是熔化的金属壁，辅助气流会将孔洞周边的熔化材料吹走，切割气体通常应用氮气较多[3]。

其次是汽化切割，该切割技术是在高密度大功率激光束加热环境下，令钣金材料表面温度迅速升高，短时间内达到沸点温度，在防止热传导效应熔化材料的同时，可以让钣金材料汽化消失，材料中的一部分会成为喷出物，在切缝底部位置利用辅助气流吹走。需要注意的是，钣金材料的厚度不宜过大，通常在6cm以下，太厚则不易切开。切割气体通常用氩气和氮气较多。

最后是氧化熔化切割，其中熔化切割部分，与前两种切割方式使用气体性质相同，通常为惰性气体，如果用活性气体代替，则很容易点燃激光光束，与氧气产生剧烈化学反应，进而在激光束照射作用下点燃材料，也就是氧气熔化切割的技术实质，此情况下切割速度通常较快。切割气体通常为氧气[4]。

2.2 激光切割技术优势

同传统钣金切割技术相比，激光切割技术在优势方面是显而易见的，主要体现在以下方面：首先是在速度方面更快，激光光束从照射到钣金材料表面开始，进而发生熔化、气化，最后完成切割过程，这个过程时间非常短。在激光打孔时，通常会在几微妙之内，令钣金材料快速升至熔点沸点，并在电光火石之间结束切割加工的操作。其次是切割具有高质量，激光光束并没有因为切割加工时间段，速度快，就忽视了切割质量。从大量电梯钣金加工激光切割产品来看，切缝不仅小而且细，切口外观平整性和光滑性也较好，不会在切口部位产生粗糙毛边或者凹凸不平的现象，整体切割质量也值得信赖。然后是不会对钣金材料本身产生较大负面影响，如果切割时应用的是传统切割方法，钣金材料作用面就会很大程度受到切刀影响，进而对材料性能产生较大影响，但是同样的切割技术如果用到激光，则不会对材料作用面产生较大影响。最后是激光切割本身具有较强灵活性，这种灵活主要体现在范围，而且能够适应钣金材料的各种形状，对钣金材料的要求也不高，绝大多数材料都能满足激光切割应用条件，可以适应当代数控化工业要求。除此之外，激光切割不仅速度更快，而且最终成型的产品也无需后期打磨，省去了打磨的成本投入，因此整体成本也较低，自然提升了生产加工的经济效益。

3 激光切割实际应用现状

3.1 激光切割技术发展现状

我国工业体系中，激光技术主要在切割、标记、焊接、热处理加工等方面，从起步来说，我国激光切割工业相较西方发达国家更晚，基础薄弱，因此激光加工技术还有巨大提升空间。

3.2 融合软件优势，令钣金材料利用率提升

以G4020F-IPG2500型号的激光切割机为例，在应用软件方面，该型号激光切割机主要采用大族激光切割控制软件V5.0，在优化排料方面具有更好的辅助功能。在定尺材料方面，优化排料功能能够允许使用者排列不同零件，零件材料厚度需要保持一致，优化排料功能正好可以将钣金切割的开料环节省去，一方面可以大幅减少装夹频率，也能有效减少工作时长。除此之外，该型号激光切割机兼具“飞行光路”功能，在切割速度上相较传统切割方式更快，并且省略了加紧被切割钣金材料，降低了死区问题带来的负面影响。在编排切割方案方面，也能尽量优化，令材料节能和加工效率不断提升[5]。

3.3 减少了新产品开发周期

新产品开发周期的降低，减少了模具应用数量，当前社会背景下，钣金加工面临的市场竞争尤其激烈，因此每一个钣金加工企业都需要认真考虑数量增多的钣金工件。若是采用模具生产的方式，一方面在模具设计与制造问题上，需要一定时间，另一方面，现阶段很多新产品钣金加工主要采用的生产方式为小批量，这样便无法充分发挥模具的加工价值，既耗费时间，经济性也不强。但是应用激光切割机则不需要考虑这个问题，激光切割技术的零件不仅在质量方面属上乘，而且在模具生产环节上也被省略了，不仅在时间上更短，而且效率更高，这也是为维持企业自身竞争力，企业必须重视激光切割技术的应用[6]。

4 激光切割机在钣金材料生产中的应用

4.1 切割细长工件

相关生产经验可以证明，由于激光切割机在执行切割操作时，热量相对集中，对工件产生热影响不大，用激光进行切割时，可以尽量降低工件热变形程度。如果工件长度在5m以上，可以对工件直线度进行控制，控制的方式为利用设备自身微连接功能。微连接即是一直令钢板整体相互连接，最大程度减小应力变形，旁弯误差控制在2毫米之内，为后续工序中，保证焊接坡口均匀性、直线度和平面度奠定了基础。

4.2 切割较多孔钣金材料

首先，在激光切割圆孔时，基于生产试验和实践，在钢板厚度不同的情况下，切割机的最小切割直径和板厚有一定影响，板厚在特定数值情况下，只要最小直径不超过工件圆孔直径尺寸要求，而且直径尺寸与粗糙度在切割机保证范围内，就可以进行激光下料的操作，不必要进行钻孔工序，令劳动生产效率得以提高。

如果工件自身含孔数量较多，而且在试验中，若激光光束的最小直径大于丝孔底孔或光孔直径大，则可以借助激光打点功能，对孔的位置进行确定，从而大幅减少定位孔的工序时间，这样不仅有助于生产效率和产品精度的提升，而且也能令制造成本大幅降低。

4.3 切割工艺豁口

钣金工件预留工艺豁口，也有工艺孔或止裂槽的别称。通常情况下，工艺豁口主要包含三种形式，首先是两个及两个以上折弯部位相邻，另外是某一条边折弯部分为长度方向部分完全折弯。如果是后者，则会在切割时直接预留割缝。最后一种变形情况，则是钣金工件在折弯时，工件两段处于悬空位置。若是这种情况，可以在工件下料阶段，用激光切割机预留割缝，避免工件产生形变。

4.4 生产钣金和钻孔

如果用于工艺生产的钣金工件形状不规则，为了令下料精度与效率得以提升，可以利用激光切割机，完成下料检测样板的制作工作；如果钣金工件卷板成形，在进行工件制作与检测阶段，需要保证样板和圆弧的吻合程度。通常情况下，如果工件需要钻孔，在生产依然是小批量生产情况下，通常在模板钻孔工序上会耗费更长生产周期，激光切割机会最大程度将新产品生产周期大幅缩短，令钻床加工工件柔性提升[7]。

5 激光切割机在钣金加工的发展趋势

首先在完善激光切割钢板工艺参数的情况下，激光切割钣金材料，可以在NC代码转换过程中更加便捷，速度也会更快，同时能够较好避免切割工艺自身缺陷，从而大幅提升钣金工件的生产质量，令生产过程更加高效。另外，激光切割技术会逐渐增加更多功能，令激光使用范围大幅拓展，对信息资源进行优化整合，发挥出激光切割的技术优势。在智能化方面，可以在激光切割机中融合计算机数控技术，发挥自动排料、远程控制与诊断的功能，令激光切割技术自动化程度不断提升[8，9]。