在汽車制造領(lǐng)域，激光切割技術(shù)都已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。北京汽車制造廠有限公司用功率為500W的激光器切割各種車身及車架零件。本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)生的切割質(zhì)量不良零件狀態(tài)確定試驗(yàn)項(xiàng)目，重點(diǎn)從激光功率、切割速度、氣體壓力、零件間距、零件材質(zhì)五個(gè)工藝參數(shù)及切割誤差入手，對(duì)常用材料進(jìn)行模擬環(huán)境切割試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比激光切割光束形態(tài)及切割質(zhì)量，研究激光切割參數(shù)對(duì)零件切割質(zhì)量的影響，得出大概結(jié)論后再通過(guò)實(shí)際零件切割分析產(chǎn)生不良原因及解決措施并最終避免不良問(wèn)題的發(fā)生。

2. 試驗(yàn)研究

（1）確定試驗(yàn)材料及零件  結(jié)合生產(chǎn)計(jì)劃確定試驗(yàn)鋼板材料：DC01/SS400碳鋼(t=1.0mm、2.0mm、3.0mm、5.0mm)、劣質(zhì)SS400/t=3.0mm。

結(jié)合不良零件確定試驗(yàn)零件為勇士車型車架零件：絞盤支架補(bǔ)強(qiáng)板（B1210616AA，SS400/t=3.0mm）、前保險(xiǎn)杠支架（B1210713AA，SS400/t=5.0mm）。

（2）試驗(yàn)設(shè)備 切割設(shè)備：3D機(jī)器人光纖激光切割機(jī)（型號(hào)：TH-RCF2010S-500， 史陶比爾機(jī)器人為載體）。測(cè)量設(shè)備：游標(biāo)卡尺、鋼板尺、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、ATOS掃描儀。

（3）確定試驗(yàn)項(xiàng)目  試驗(yàn)共測(cè)試五個(gè)工藝參數(shù)及切割誤差以及兩種勇士車型零件，利用多種板材在各種既定環(huán)境下進(jìn)行切割，通過(guò)觀察激光切割光束形態(tài)及零件切割質(zhì)量作為后續(xù)分析數(shù)據(jù)依據(jù)。具體測(cè)試項(xiàng)目及方法如表1所示。

（4）確定零件切割質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)  零件切割質(zhì)量可通過(guò)目測(cè)切割過(guò)程中光束形態(tài)及測(cè)量零件來(lái)進(jìn)行判定，其中光束形態(tài)通過(guò)光束形狀及飛濺兩個(gè)方面進(jìn)行目測(cè)；零件質(zhì)量通過(guò)從斷面質(zhì)量、表面質(zhì)量、批次狀態(tài)、零件尺寸、零件變形及焊瘤大小六個(gè)方面進(jìn)行判定。具體檢驗(yàn)方法及判定標(biāo)準(zhǔn)如表2、表3所示。

3. 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

（1）激光功率  試驗(yàn)中對(duì)同種材料進(jìn)行3種不同激光功率環(huán)境的切割，具體結(jié)果如下。

首先，激光功率設(shè)定過(guò)大時(shí)（450W），整個(gè)切割面熔化，切縫過(guò)大，得不到良好的切割質(zhì)量，如圖1a所示。

圖1a

其次，激光功率設(shè)定不足時(shí)（150W），產(chǎn)生切割熔渣，切割斷面上產(chǎn)生焊瘤，如圖1b所示。

圖1b

最后，激光功率設(shè)定中等時(shí)（300W），切割質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)此試驗(yàn)得知激光功率過(guò)大或過(guò)小都無(wú)法得到良好的切割斷面，因此需設(shè)定適當(dāng)?shù)募す夤β?，配合適當(dāng)?shù)那懈顨怏w壓力及速度，才能得到良好的切割質(zhì)量，保證無(wú)熔渣產(chǎn)生。

（2）切割速度  試驗(yàn)中對(duì)同種材料進(jìn)行3種不同切割速度環(huán)境的切割，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)切割速度不同切割火花形態(tài)及斷面質(zhì)量（切割斷面紋路）均不同，具體結(jié)果如下。

首先，正常速度（60mm/s）的火花是由上往下擴(kuò)散的， 斷面紋路直線并稍向后傾斜，表面光潔無(wú)熔渣產(chǎn)生，如圖2a、圖2d所示。

其次，速度過(guò)快（200mm/s）時(shí)火花向后傾斜， 切割斷面粗糙且紋路呈大角度向后傾斜彎曲，零件下方產(chǎn)生熔渣，斷面有些區(qū)域能切斷有些區(qū)域則不能，如圖2b、圖2e所示。

最后，速度過(guò)慢（10mm/s）時(shí)火花少且不擴(kuò)散，板材過(guò)燒，切割斷面粗糙，切縫變寬，小轉(zhuǎn)角部位整個(gè)區(qū)域熔化，如圖2c、圖2f所示。

圖2 切割火花及斷面效果

因此得知選擇適當(dāng)?shù)那懈钏俣?，可使火花形態(tài)良好，切割斷面呈現(xiàn)較平穩(wěn)線條，且零件下方?jīng)]有熔渣，不會(huì)出現(xiàn)切不斷或板材過(guò)燒，區(qū)域熔化的現(xiàn)象?？梢姴煌那懈钏俣葘?duì)激光品質(zhì)有重大影響，如切縫寬度和斷面質(zhì)量。

（3）氣體壓力  試驗(yàn)設(shè)備配備液態(tài)氧氣作為切割氣體，先測(cè)試DC01/t=1.0mm在0.1MPa、1.2MPa、2.0MPa下切割，后測(cè)試SS400/t=5.0mm在0.1MPa、0.5MPa、2.0MPa下切割，不同環(huán)境下綜合分析如下。

首先，氣體壓力不足時(shí)（0.1MPa），會(huì)產(chǎn)生焊瘤，直接影響切割速度。

其次，氣體壓力過(guò)高時(shí)（2.0MPa）會(huì)造成斷面粗糙，切縫較寬，斷面部分熔化，無(wú)法達(dá)到良好的切割質(zhì)量。

最后，氣體壓力適中時(shí)（1.2MPa/0.5MPa），質(zhì)量合格。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氣體壓力對(duì)切割作用很大，切割氣體有助于散熱、助燃、吹走殘?jiān)?。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)薄板件切孔采用較高的氣體壓力且效率高、質(zhì)量良好，如圖3a所示；而對(duì)厚板件切孔則采用較低的氣體壓力且效率低質(zhì)量較差，如圖3b所示。因此建議采用特定的打孔方式（如鉆孔），以提高工作效率。     

圖3 薄板與厚板切割對(duì)比

（4）零件間距  試驗(yàn)中對(duì)3種料厚板材進(jìn)行測(cè)試，重點(diǎn)從最小孔徑進(jìn)行測(cè)試，具體如下。

首先，DC01/t=1.0mm時(shí)，1mm直徑圓孔無(wú)法保證質(zhì)量（切割引線無(wú)法預(yù)留），2mm直徑圓孔質(zhì)量過(guò)關(guān)。

其次，SS400/t=3.0mm時(shí)3mm圓孔質(zhì)量達(dá)標(biāo)，2mm無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

最后，SS400/t=5.0mm時(shí)5mm圓孔質(zhì)量達(dá)標(biāo)，4mm無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

得知最小孔徑一般大于等于板材料厚，如執(zhí)意加工小于板厚的小孔則不能保證切割斷面質(zhì)量，可能會(huì)因零件質(zhì)量不良而造成報(bào)廢。實(shí)際生產(chǎn)中考慮到浮頭的正常工作以及熱影響，切割板材邊緣、零件間最小間距及最小切割孔徑一般最少預(yù)留10mm距離，以保證正常加工。

（5）零件材質(zhì)  激光切割對(duì)加工零件材質(zhì)有較高要求，不同碳含量材質(zhì)加工出的零件質(zhì)量會(huì)大不相同。

試驗(yàn)中兩種不同質(zhì)量的SS400/t=3.0mm進(jìn)行切割對(duì)比，其中劣質(zhì)材料在切割時(shí)產(chǎn)生爆點(diǎn)（正常切割中到一部位突然爆炸，如圖4所示）。經(jīng)分析得知，產(chǎn)生爆點(diǎn)的主要原因是材料內(nèi)部雜質(zhì)較多，分布不均造成。

圖4 爆點(diǎn)

因此為得到高質(zhì)量零件同時(shí)為保護(hù)鏡片，一般建議采用高品質(zhì)板材（如寶鋼）進(jìn)行激光切割。

（6）切割誤差  試驗(yàn)中通過(guò)對(duì)3種不同料厚材料進(jìn)行切割，每種料厚各進(jìn)行四次切割誤差測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表4所示。將各數(shù)據(jù)描點(diǎn)形成散點(diǎn)圖，各散點(diǎn)連線得知各誤差值上下浮動(dòng)范圍在±0.1mm之間，且隨材料厚度增加而增大。

激光加工過(guò)程中除去切縫材料被去除外，由于受熱切縫附近材料也會(huì)受影響，零件存在著不完全可控的熱變形，因此會(huì)存在一定的切割誤差。鑒于誤差值的存在，需要編程人員與現(xiàn)場(chǎng)操作者非常了解該誤差值，并通過(guò)采取一些措施盡量避免誤差的出現(xiàn)。分析得知，注意以下事項(xiàng)可使誤差值減小：①切割加工時(shí)必須使用合適的刀具補(bǔ)償。②測(cè)量誤差值時(shí)應(yīng)該選擇在無(wú)切割焊渣且無(wú)變形的位置進(jìn)行測(cè)量。③選擇合適的切割料片大小，即切割成型零件時(shí)盡量以單料片1～2件零件為佳，切割平面料片時(shí)盡量以單料片5～10件零件為佳。④良好的光路元件及光路調(diào)試是控制誤差的必然。

（7）實(shí)際零件切割  通過(guò)上述試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)以上因素中零件材質(zhì)及間距屬于可控制因素，可通過(guò)控制其他因素進(jìn)行控制；切割誤差雖難以避免但是可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制在一定誤差范圍內(nèi)；其余激光功率、切割速度、氣體壓力三個(gè)工藝參數(shù)在實(shí)際切割中均需進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定。鑒于此，重點(diǎn)從后面三個(gè)工藝參數(shù)入手進(jìn)行調(diào)整，以分析此三個(gè)工藝參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的敏感程度。

針對(duì)不良零件（前保險(xiǎn)杠支架，SS400/t=5.0mm，如圖6a所示）分析產(chǎn)生不良的原因，得知原因可能為以下三個(gè)：切割速度不足、切割速度過(guò)快或氣體壓力不足。試驗(yàn)中分別單獨(dú)調(diào)整以上3個(gè)工藝參數(shù)，調(diào)整量分別為P=xW±50W、v=xmm/s±10mm/s及p=xMPa±0.1MPa，當(dāng)調(diào)整至P=300W、v=10mm/s、p=0.5MPa時(shí)切割質(zhì)量達(dá)到最佳。在調(diào)整過(guò)程中通過(guò)觀察各工藝參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的敏感度得出三者敏感程度排序：氣體壓力>切割速度過(guò)快>切割速度不足。得出此結(jié)論后為確定其準(zhǔn)確性，再切割不同料厚勇士零件（絞盤支架補(bǔ)強(qiáng)板，SS400/t=3.0mm，如圖6b所示）進(jìn)行二次確認(rèn)，得出同樣的結(jié)論。

圖6   勇士零件切割 

通過(guò)此激光切割試驗(yàn)，將四個(gè)工藝參數(shù)（除零件材質(zhì)）及切割誤差的試驗(yàn)結(jié)論數(shù)據(jù)匯總，如表5所示。

4. 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)不同厚度碳鋼及實(shí)際零件在不同測(cè)試環(huán)境下切割，通過(guò)觀察激光火花的形態(tài)及零件切割質(zhì)量對(duì)各參數(shù)進(jìn)行分析，可以得出如下結(jié)論。

（1）試驗(yàn)所述工藝參數(shù)及切割誤差均會(huì)不同程度影響激光切割質(zhì)量，不同切割環(huán)境下影響程度大不相同，為提高切割質(zhì)量必須綜合考慮各因素，控制各因素間的關(guān)系，以使切割質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。

（2）在調(diào)整切割參數(shù)時(shí)，氣體壓力對(duì)零件質(zhì)量的敏感程度最大，切割速度次之，激光功率最小。