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。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。
激光加工起步較早的歐美和日本，在上世紀(jì)80年代開(kāi)始由激光加工機(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)別于普通鋼材但價(jià)格偏高的激光專(zhuān)用鋼材。而隨著激光加工成為主要的切割手段被接受后，25mm以下普通鋼板就以激光專(zhuān)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。其主要區(qū)別在于鋼材中雜質(zhì)含量和對(duì)鋼材表面的處理以及運(yùn)輸保管等一系列原因，造成了中國(guó)板材切割難的現(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)家甚至一些像澳洲韓國(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，因此與其期待中國(guó)鋼材來(lái)適應(yīng)激光切割不如研究和提出能夠優(yōu)質(zhì)地加工劣質(zhì)材料的方法和提案。本文提出其中的一些思考以?huà)伌u引玉。
【在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（1秒，以t16mm為例—以下相同），但缺陷是不僅影響對(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。而用小功率脈沖進(jìn)行穿孔的話(huà)，時(shí)間就很長(zhǎng)（12秒），會(huì)導(dǎo)致切割的效率下降和單位成本的提高。
2. 切割面品質(zhì)問(wèn)題
圖1.和圖2.示出了加工中厚板時(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)的激光加工機(jī)區(qū)別于其他切割手段的價(jià)值。
圖1.碳鋼切割面圖2.不銹鋼切割面
3. 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，這里對(duì)此不明原因的加工失敗也給出一些筆者的分析和對(duì)策提案。
【針對(duì)上述問(wèn)題的解決方案】
1. 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)是相對(duì)炸孔雖然時(shí)間稍長(zhǎng)（3秒），但穿出的孔徑小（約φ4mm）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。圖3.示出了普通穿孔、HPP穿孔和高能穿孔的區(qū)別。
圖3.高能穿孔HPP穿孔
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加工條件較好的完成了這一使命。圖4.是在同一塊國(guó)產(chǎn)板材上用傳統(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.是改善后的效果。斷面上部粗糙度8μ、下部12μ堪比機(jī)械加工。
圖4.碳鋼中厚板K-CUT效果
圖5.不銹鋼中厚板亮面切割效果
3. 保證加工穩(wěn)定性的方案
當(dāng)前為了提高加工機(jī)的運(yùn)行速度，激光機(jī)多采用俗稱(chēng)飛行光路的結(jié)構(gòu)，即材料托盤(pán)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。圖6.示出了等長(zhǎng)光路的原理及在加工區(qū)域中不同位置的加工效果。
圖6.等長(zhǎng)光路原理及效果
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