激光切割國(guó)產(chǎn)中厚板常見(jiàn)問(wèn)題探討
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激光加工作為一種先進(jìn)的材料切割手段，已經(jīng)越來(lái)越為鈑金生產(chǎn)者所接受。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)于其加工能力的期待也越來(lái)越高，這種期待不僅僅是對(duì)能夠切，更是對(duì)切得好和切得快的期待。而能給予回答的當(dāng)然離不開(kāi)加工機(jī)的性能，同時(shí)被加工材料優(yōu)劣也直接影響回答的效果。
激光加工起步較早的歐美和日本，自19世紀(jì)80年代起，由激光加工機(jī)生產(chǎn)廠商對(duì)鋼材生產(chǎn)提出了具體的質(zhì)量要求，從而有了區(qū)別于普通鋼材且價(jià)格偏高的激光專用鋼材。而隨著激光加工成為主要的切割手段被接受后，厚度25mm以下的普通鋼板就以激光專業(yè)材料作為標(biāo)準(zhǔn)材料了。然而，由于中國(guó)的發(fā)展太快，鋼材生產(chǎn)來(lái)不及適應(yīng)，就有了中國(guó)鋼材與進(jìn)口鋼材之分。中國(guó)板材由于其雜質(zhì)含量、對(duì)鋼材表面的處理以及運(yùn)輸保管等，造成了切割難的現(xiàn)狀。 當(dāng)今中國(guó)的粗鋼產(chǎn)量不僅是世界第一，更是超過(guò)了全球產(chǎn)量的50%，發(fā)展中國(guó)家甚至澳洲、韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家為節(jié)約成本也在大量使用中國(guó)板材，因此研究并提出能夠優(yōu)質(zhì)地加工劣質(zhì)材料的方法和提案，具有十分實(shí)用的現(xiàn)實(shí)意義。本文提出其中的一些思考以拋磚引玉。 1、中厚板加工中遇到的問(wèn)題 （1）碳鋼厚板穿孔問(wèn)題。在厚板加工中穿孔時(shí)間占很大比重，各激光廠商紛紛開(kāi)發(fā)了快速穿孔的技術(shù)，較為有代表性的是高能穿孔（炸孔），這種方法的優(yōu)點(diǎn)是速度快（1s，以厚度16mm為例，以下相同），但不足是其影響對(duì)小形狀的加工，穿孔時(shí)注入的巨大能量使板材溫度升高進(jìn)而影響接下來(lái)的整體切割過(guò)程。而如果用小功率脈沖進(jìn)行穿孔，時(shí)間就會(huì)很長(zhǎng)（12s），將導(dǎo)致切割的效率下降和單位成本的提高。 ?。?）切割面品質(zhì)問(wèn)題。圖1和圖2所示是加工中厚板時(shí)經(jīng)常會(huì)遇見(jiàn)的切割斷面，這樣的切割不僅成品質(zhì)量受到質(zhì)疑，還會(huì)伴隨著過(guò)燒和嚴(yán)重的粘渣出現(xiàn)，以致體現(xiàn)不出高價(jià)激光加工機(jī)區(qū)別于其他切割手段的價(jià)值。
?。?）整板加工穩(wěn)定性問(wèn)題。在對(duì)國(guó)產(chǎn)鋼材的整板加工中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)局部區(qū)域加工不良的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象有時(shí)很隨機(jī)，即使在加工機(jī)狀態(tài)良好的情況下也會(huì)出現(xiàn)，為了處理局部故障品而大大地影響了整個(gè)工作進(jìn)度。對(duì)此不明原因的加工失敗，提供如下分析和對(duì)策提案。 2、解決方案 ?。?）高峰穿孔（HPP）方案。顧名思義就是利用占空比小的高峰值脈沖激光，輔以噴射在材料表面上的不燃油以清除開(kāi)孔邊緣附著物，控制脈沖的合理頻率，邊冷卻邊穿孔。其特點(diǎn)是雖然相對(duì)于炸孔時(shí)間稍長(zhǎng)（3s），但穿出的孔徑?。sφ 4mm）且開(kāi)孔邊緣無(wú)附著物以及入熱較低，便于接下來(lái)的正常切割加工，相比普通穿孔則效率提高了4倍。高能穿孔和HPP穿孔的區(qū)別如圖3所示。
（2）切割斷面改善方案。對(duì)于碳鋼來(lái)說(shuō)，改善切割斷面的重要因素是控制對(duì)板材的入熱，并能保證激光照射部分的充分燃燒。三菱電機(jī)開(kāi)發(fā)的K-CUT加工條件較好地完成了這一使命。圖4所示為在同一塊國(guó)產(chǎn)板材上分別用傳統(tǒng)條件和K-CUT條件進(jìn)行切割的效果比較。而對(duì)于不銹鋼來(lái)說(shuō)改善切割斷面的重要因素則是光束的改良（改善焦深）與輔助氣體的有效利用。亮面切割技術(shù)就是改善了發(fā)振器和噴嘴所得到的結(jié)果。圖5所示是改善后的效果。斷面上部表面粗糙度值Ra=8μm、下部Ra=12μm，堪比機(jī)械加工。
?。?）保證加工穩(wěn)定性的方案。為了提高加工機(jī)的運(yùn)行速度，激光機(jī)多采用俗稱飛行光路的結(jié)構(gòu)，即材料托盤不動(dòng)而加工頭在整個(gè)可加工區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)的形式。而為了補(bǔ)償加工頭與光源相對(duì)位置的變化，各廠商也盡可能保證光斑在加工范圍內(nèi)的一致性，使用曲率可變折射鏡是普遍選擇的方式。這種方法雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單卻會(huì)改變焦深，使在對(duì)焦深極為敏感的中厚板切割時(shí)會(huì)顯得力不從心（既要保持光斑不變又要保持焦深不變）。三菱電機(jī)采用的等長(zhǎng)光路方式（在可加工范圍內(nèi)光源與加工頭之間光傳播路徑等長(zhǎng)）可避免焦深變化，從而使光斑和焦深都保持一致。另外對(duì)入熱的重視使板材積累的熱量得到控制，較好地解決了穩(wěn)定性問(wèn)題。等長(zhǎng)光路的原理和在加工區(qū)域中不同位置的加工效果如圖6所示 |
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