激光在我國(guó)最初被稱為“萊塞”,既英語(yǔ)“Laser”的譯音。早在1964年,根據(jù)錢學(xué)森院士的建議,把光束激發(fā)器改稱為“激光”或“激光器”。激光是由惰性氣體高純氦、CO2及高純氮在氣體混合單元混合,經(jīng)激光發(fā)生器生成激光,再加入切割氣體如N?或O2,照射到被加工物上,其能量在短時(shí)間內(nèi)高度集中,瞬間使物質(zhì)熔化和氣化。用這種方法進(jìn)行切割,解決了堅(jiān)硬、極脆、難熔物質(zhì)的加工困難,而且速度快、精度高、變形小,特別適用于精密部件和微型部件的加工。
激光加工過(guò)程中,影響激光切割質(zhì)量的因素很多,主要因素由切割速度、焦點(diǎn)位置、輔助氣體壓力、激光輸出功率等工藝參數(shù)構(gòu)成。除了以上四個(gè)最重要的變量以外,可能對(duì)切割質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素還包括外光路、工件特性(材料表面反射率、材料表面狀態(tài))、割炬、噴嘴、板材夾固等。
影響激光切割質(zhì)量的上述因素在不銹鋼薄板加工中尤為突出,具體表現(xiàn)為:工件反面留有較大積瘤、毛刺;工件上的孔直徑達(dá)到1~1.5倍的板厚時(shí),明顯達(dá)不到圓度要求,拐角處直線明顯不直;這些問(wèn)題也是鈑金行業(yè)在激光加工中較頭疼的問(wèn)題。
圖1 激光切割熔融原理
1-輔助氣體 2-噴嘴 3-噴嘴高度 4-切割速度5-熔融物 6-熔渣 7-切割粗糙度 8-熱影響區(qū)9-割縫寬度
積瘤問(wèn)題
上海威特力精密鈑金加工中心反復(fù)做了多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),激光切割機(jī)自身配備的切割支架不適合薄板的加工。主要原因:⑴R角大,則支架頂點(diǎn)與加工板材的接觸面積就大,那么激光束如果正好切割在支架頂點(diǎn)上的話,它的飛濺反射幾率就大,如果R角小,則在加工薄板時(shí),飛濺反射的幾率就?。虎凭嚯x小,斜度小,那么留給激光束繼續(xù)穿透的空間就有限,而反射空間越小,反射的力度就越大,則切割積瘤粘附在板材反面就越牢。
圖2 改進(jìn)后的支架
基于以上考慮,我們將機(jī)床配備的切割支架進(jìn)行了改進(jìn):⑴R角改小,支架頂點(diǎn)到基面的距離增大,斜度隨之加大。如此以來(lái),工件反面的飛濺積瘤明顯減少,且反面的積瘤用工具輕輕碰觸就可脫落。⑵操作人員在切割的過(guò)程中發(fā)現(xiàn):沾上油污的板材表面,切割飛濺落下,沒(méi)有粘在板材上。原來(lái),板材上涂上油,不僅在板材表面上形成一層保護(hù)膜,使得飛濺不容易粘在上面;還有利于激光束的導(dǎo)向(尤其在加工表面極其光滑的板材如鏡面不銹鋼時(shí)),因?yàn)橛湍は鄬?duì)于光滑的板材表面來(lái)講,它較易吸收激光束(鏡面板易反射激光束),這樣就有利于光束的定位和穿透。為此,我們將板材正反面均勻的涂上金屬軋制油(燃點(diǎn)高),這樣加工的工件基本上無(wú)飛濺積瘤,尤其是工件反面,積瘤現(xiàn)象比以前大為改觀。⑶經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整切割參數(shù)中的焦點(diǎn)位置,技術(shù)人員發(fā)現(xiàn),激光焦點(diǎn)位置在稍小于1/2板厚時(shí)就能夠穿透板材進(jìn)行切割,但伴隨著板材變形或者切割氣壓過(guò)大,使薄板在大的氣體壓力吹動(dòng)下,發(fā)生細(xì)微或者局部的抖動(dòng)時(shí),切割質(zhì)量不穩(wěn)定。但是再把焦點(diǎn)往下調(diào)整約為2/3板厚時(shí)(糾正了因變形或抖動(dòng)引起的焦點(diǎn)偏差),在同樣板材和氣壓下,能夠有效地避免細(xì)微毛刺的出現(xiàn)。這樣工件的切割質(zhì)量得到了極大的提高。
小孔圓度問(wèn)題
在激光切割機(jī)切割過(guò)程中,接近1~1.5倍板厚的孔,本身就不太容易進(jìn)行高品質(zhì)的加工,尤其是圓孔。激光加工要穿孔,引線,再轉(zhuǎn)切割,中間參數(shù)需要交換,會(huì)產(chǎn)生瞬間的交換時(shí)間差。這樣就會(huì)產(chǎn)生加工的工件上圓孔不圓的現(xiàn)象。為此,我們調(diào)整了穿孔,引線轉(zhuǎn)切割的時(shí)間,并調(diào)整穿孔的方式,使其和切割的方式一致,這樣就不會(huì)有明顯的參數(shù)轉(zhuǎn)化過(guò)程。
拐角直線度問(wèn)題
在激光加工中,不屬于常規(guī)調(diào)整范圍內(nèi)的幾個(gè)參數(shù)(加速因子、加速度、減速因子、減速度、轉(zhuǎn)角停留時(shí)間)在薄板工件加工中,卻是關(guān)鍵的參數(shù)。因?yàn)樵谛螤顝?fù)雜的薄板工件加工過(guò)程中,會(huì)有頻繁的轉(zhuǎn)角。每到轉(zhuǎn)角時(shí),須減速;而過(guò)了轉(zhuǎn)角,則又加速。這幾個(gè)參數(shù)決定了激光束在某處的停頓時(shí)間:
⑴加速值過(guò)大,減速值過(guò)小,則會(huì)出現(xiàn)激光束在轉(zhuǎn)角處,未能很好的穿透板材,造成穿不透的現(xiàn)象(引起工件報(bào)廢率的上升)。
加速值過(guò)小,減速值過(guò)大,則會(huì)出現(xiàn)激光束在轉(zhuǎn)角處已經(jīng)穿透板材,但加速值過(guò)小,所以激光束在加減速交換的點(diǎn)上停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng),已經(jīng)穿透的板材被持續(xù)的激光束不斷的熔化、氣化,就會(huì)造成拐角處直線不直的現(xiàn)象(這里就不再考慮影響切割質(zhì)量的常規(guī)因素中的激光功率和氣體壓力及工件固定等因素了)。
⑶加工薄板工件時(shí),在不影響切割質(zhì)量的前提下,切割功率盡量減小,這樣工件的表面就不會(huì)有明顯的激光切割灼燒的色差。
⑷切割氣體壓力盡量減小,這樣能夠極大地減小板材在較強(qiáng)的氣壓下,產(chǎn)生的局部微觀的抖動(dòng)。
通過(guò)上述分析,我們需要設(shè)定怎么樣的一個(gè)數(shù)值才算是合適的加速減速值?加速值與減速值之間有沒(méi)有一定的比例關(guān)系可供遵循?
為此,技術(shù)人員不斷的調(diào)整加速值和減速值,切割出來(lái)的每一件上做好標(biāo)記,并把調(diào)整參數(shù)記錄在案。經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比樣件,仔細(xì)研究參數(shù)的變化,終于發(fā)現(xiàn):切割0.5~1.5mm范圍內(nèi)的不銹鋼時(shí),切割參數(shù)中加速值0.7~1.4g之間,減速值在0.3~0.6g之間最佳,而加速值=減速值×2左右為佳。這一規(guī)律同樣適合相近板厚的冷軋板(相近板厚的鋁板,數(shù)值則須做相應(yīng)的調(diào)整)。
結(jié)束語(yǔ)
在成功解決了上述影響切割質(zhì)量的因素后,我們加工出來(lái)的不銹鋼薄板產(chǎn)品,無(wú)論是切割積瘤方面,還是切割精細(xì)度方面,都得到了極大的改善與提高。作為當(dāng)代的技術(shù)工人,要肯鉆研,敢攀登,秉持“精益求精,完美制造”的理念,才能做出高品質(zhì)的產(chǎn)品,并使之在激烈的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)中站有一席之地。
——摘自《鈑金與制作》 2014年第2期