管材激光切割的應(yīng)用

       激光具有良好的單色性、相干性、平行性三大特點(diǎn)，因此特別適合應(yīng)用于材料加工。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的管材切割方法主要依靠手工鋸割、鋸床鋸割、滾輪擠壓、砂輪切割、氣焊切割等，這些加工方法基本都存在切割效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，而激光切割憑借較快的加工效率、良好的加工效果等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中。

       隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，在航空器制造、工程機(jī)械、交通運(yùn)輸、石油化工、農(nóng)牧機(jī)械等工業(yè)部門(mén)中，已經(jīng)廣泛采用管材制造零件。在實(shí)際生產(chǎn)中，管材有生產(chǎn)成本低、加工成形性好、結(jié)構(gòu)件重量輕以及節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)，所以管材切割在工業(yè)領(lǐng)域中有著很重要的地位。由于管材的形狀、尺寸及應(yīng)用場(chǎng)合的不同，而且管材切割受加工質(zhì)量等因素的制約，因此選用合理的加工設(shè)備、加工方法以及工藝措施是十分重要的。

       管材切割存在著諸多不便，而國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的切割方法雖然也能達(dá)到應(yīng)用效果，但是加工效率低下、加工效果較差，因此將管材切割與激光技術(shù)相結(jié)合，會(huì)使管材切割領(lǐng)域有著更加廣闊的發(fā)展前景。

       管材激光切割的現(xiàn)狀和未來(lái)的發(fā)展

       激光切割管材具有切口寬度窄、熱影響區(qū)小、切割速度快、柔性好、切口光潔及無(wú)工具磨損等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著數(shù)控激光割管機(jī)的出現(xiàn)與發(fā)展，對(duì)于空間自由曲面和曲線的多種加工工藝的發(fā)展更能展現(xiàn)其獨(dú)特的一面。激光切割管材時(shí)，不僅要求激光光斑相對(duì)于工件在三維空間按一定的軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)要求在整個(gè)加工過(guò)程中，激光光軸始終垂直于要切割管材的加工表面。對(duì)于可以進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦的數(shù)控光纖激光切割頭，其噴嘴可以通過(guò)自動(dòng)測(cè)量和控制系統(tǒng)對(duì)工件表面進(jìn)行自動(dòng)跟蹤。生產(chǎn)實(shí)踐表明，管材切割的關(guān)鍵在于最大程度的消除切割質(zhì)量缺陷，從而滿(mǎn)足管材的加工要求。對(duì)于復(fù)雜的管材進(jìn)行穿孔、開(kāi)槽、切邊或側(cè)凹等加工時(shí)，激光切割加工不僅比傳統(tǒng)的加工方法更加快捷，而且能夠極大的保證加工質(zhì)量。

       管材激光切割的概述

       在加工過(guò)程中首先應(yīng)該保證管材零件的割斷，以獲得所需長(zhǎng)度的管材毛坯。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的管材切割方法難以滿(mǎn)足大批量生產(chǎn)的需要，而且這些傳統(tǒng)加工方法加工出來(lái)的管材零件，切斷面加工質(zhì)量普遍不佳，有的甚至產(chǎn)生變形和壓塌等加工缺陷。管材除了需要割斷以外，有的還需要其他形式的加工，如：用于裝飾和燈具的花紋切割，螺旋線、正弦、余弦線切割，打標(biāo)等。這些形式的管材加工如果使用傳統(tǒng)的加工方法，不但加工效率低下，而且難以達(dá)到理想的加工要求，有的甚至無(wú)法加工。

       管材激光切割的優(yōu)勢(shì)

       利用激光切割管材（包括正切、斜切、成形切割等）切口寬度一般為0.1～0.3mm，切割的位置和溫度都能精確的控制，更加有利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化，切割效率相較傳統(tǒng)加工方式可提高8～20倍，加工費(fèi)用降低70%～90%，可節(jié)省15% ～30%的材料損耗，而且激光切割的噪聲小，對(duì)環(huán)境影響也較小。傳統(tǒng)加工方式需要多道連續(xù)工序來(lái)完成加工的零件可以通過(guò)激光切割在同一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。隨著設(shè)備性能的不斷完善以及加工工藝的不斷改進(jìn)，利用激光對(duì)管材進(jìn)行高質(zhì)量切割是可以實(shí)現(xiàn)的。

       管材激光切割的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

       激光切割采用非接觸式的加工方式，在整個(gè)加工過(guò)程中，不會(huì)對(duì)管材的管壁有任何的壓力作用，所以不會(huì)造成管材外表面的變形或者塌陷。同時(shí)，激光切割管材時(shí)，割縫熱場(chǎng)復(fù)雜、冷卻困難、切割熔渣易堵塞等原因造成切割難度加大，因此要加強(qiáng)對(duì)這些方面的深入研究。

       激光切割對(duì)管材的材質(zhì)、外形、尺寸、加工環(huán)境等要求的自由度很大，它的空間控制性（射束的方向變化、旋轉(zhuǎn)、掃描等）和時(shí)間控制性（開(kāi)、關(guān)、脈沖間隔）優(yōu)異，容易控制，又因?yàn)榧す馇懈畹木苄愿?、毛刺少，大大減少了后續(xù)處理所消耗的時(shí)間。當(dāng)改變管材的直徑或者形狀時(shí)，只需要修改程序就行，因此對(duì)管材切割軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)就極具研究?jī)r(jià)值。激光切割系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，可以構(gòu)成高效的自動(dòng)化設(shè)備，為優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的加工開(kāi)辟新的道路。

       為了提高管材切割的工作效率，使用管材激光切割自動(dòng)生產(chǎn)線才是最有效的生產(chǎn)方式。如何使用管材切割自動(dòng)生產(chǎn)線進(jìn)行激光切割呢？首先，聚焦之后的激光光束，必須保證與管材切割自動(dòng)生產(chǎn)線上的被切割管材同步運(yùn)行；其次，要求聚焦之后的激光焦點(diǎn)相對(duì)于被切割管材能旋轉(zhuǎn)一周，且激光光束軸始終與管材的軸線垂直相交，在切斷過(guò)程中，管材切割生產(chǎn)線的激光光束跟隨被切割管材一起運(yùn)動(dòng)。這些同步運(yùn)動(dòng)必須通過(guò)專(zhuān)門(mén)的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，所以對(duì)管材激光切割自動(dòng)生產(chǎn)線的研究也有著很重要的意義。

       管材激光切割的關(guān)鍵技術(shù)

       導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)

       激光切割設(shè)備中，導(dǎo)光系統(tǒng)的作用是把激光發(fā)生器輸出的光束引導(dǎo)到聚焦光路的切割頭上。對(duì)于激光切割管材，要得到高質(zhì)量的切縫就需要聚焦光束的聚焦光斑直徑小、功率高，這就使得激光發(fā)生器進(jìn)行低階模輸出。

       在進(jìn)行管材激光切割時(shí)，為了獲得較為細(xì)小的光束聚焦直徑，激光的橫模階次要小，最好是基模。激光切割設(shè)備的切割頭帶有聚焦透鏡的，激光光束通過(guò)透鏡聚焦后，就能獲得較小的聚焦光斑，這樣就可進(jìn)行高質(zhì)量的管材切割。

       切割頭的軌跡控制

       在管材切割中，被加工的管材屬于空間曲面，形狀比較復(fù)雜，如果用常規(guī)方法編程加工會(huì)有一定的困難，這就要求操作人員根據(jù)加工工藝要求，選擇正確的加工路徑以及合適的參考點(diǎn)，利用數(shù)控系統(tǒng)記錄下各軸的進(jìn)給情況以及參考點(diǎn)的坐標(biāo)值，再通過(guò)激光切割系統(tǒng)的空間直線和圓弧插補(bǔ)功能，記錄加工過(guò)程的坐標(biāo)值，并生成加工程序。所以研究激光光束與切割管材的自動(dòng)垂直功能也是管材激光切割的重要技術(shù)內(nèi)容之一。

       激光切割焦點(diǎn)位置的自動(dòng)控制

       為了保證激光切割管材的切割質(zhì)量，可以通過(guò)自動(dòng)測(cè)量和控制裝置使焦點(diǎn)相對(duì)工件表面的垂直方向不變，這是激光切割管材的關(guān)鍵。目前，我們通過(guò)對(duì)激光焦點(diǎn)位置的控制與激光加工系統(tǒng)直線軸（X-Y-Z ）的一體化，使激光切割頭的運(yùn)動(dòng)更加輕巧靈活，而且對(duì)焦點(diǎn)的位置都能了如指掌，避免了切割頭在加工過(guò)程中與切割管材或者其他物件發(fā)生碰撞。

       主要工藝參數(shù)的影響

       激光切割管材在當(dāng)今工業(yè)社會(huì)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，所要切割的管材也越來(lái)越多樣化，且管類(lèi)零件自身也有其復(fù)雜性，因此根據(jù)切割管材的材質(zhì)、形狀和加工要求，選擇合適的激光切割工藝參數(shù)，獲得最佳的切割效率和切割質(zhì)量，成為所有激光切割系統(tǒng)用戶(hù)最關(guān)心的問(wèn)題。

       ⑴光功率的影響。

       對(duì)于連續(xù)波輸出的激光發(fā)生器來(lái)說(shuō)，激光功率的大小會(huì)對(duì)激光切割產(chǎn)生重要的影響。理論上來(lái)說(shuō)，激光切割管材設(shè)備的激光功率越大可獲得的切割速度越大，但是結(jié)合管材自身的特點(diǎn)，最大的切割功率并非最佳的選擇。當(dāng)提高切割功率時(shí)，激光自身的模式也發(fā)生變化，這就會(huì)影響激光光束的聚焦。在實(shí)際加工中，我們常常會(huì)選擇在小于最大功率的情況下，讓焦點(diǎn)獲得最高的功率密度，從而保證整個(gè)激光切割的效率與切割質(zhì)量。

       ⑵切割速度的影響。

       激光切割管材時(shí)必須保證切割速度在一定的范圍內(nèi)才能獲得較好的切割質(zhì)量。如果切割速度偏慢，過(guò)多的熱量就會(huì)堆積在管材表面，熱影響區(qū)變大，割縫變寬，排出的熱融材料燒灼切口表面，使得切口表面變得粗糙。當(dāng)切割速度加快時(shí)，管材圓周平均切縫寬度變小，而且被切割管徑越小這種影響越明顯。隨著切割速度的加快，激光作用的時(shí)間縮短，管材吸收的總能量變少，管材前端溫度下降，割縫寬度減小，如果切割速度過(guò)快，會(huì)出現(xiàn)管材割不穿或者割不斷的情況，從而影響整個(gè)切割質(zhì)量。

       ⑶管徑大小的影響。

       激光切割管材時(shí)，管材自身的特性對(duì)加工過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。例如圓管管徑的大小對(duì)加工質(zhì)量有著明顯的影響，通過(guò)對(duì)激光切割薄壁無(wú)縫鋼管的研究發(fā)現(xiàn)，激光切割管材設(shè)備在各項(xiàng)工藝參數(shù)保持不變的情況下，管徑不斷增加切縫寬度也會(huì)不斷增加。

       ⑷輔助氣體的種類(lèi)與壓力。

       切割非金屬和部分金屬管材時(shí)，可以使用壓縮空氣或者惰性氣體（如氮?dú)猓┳鳛檩o助氣體，而對(duì)于大多數(shù)金屬管材則可以使用活性氣體（如氧氣）。在確定輔助氣體的種類(lèi)之后，確定輔助氣體的壓力大小也顯得極為重要。當(dāng)以較高的速度切割管壁厚度較小的管材時(shí)，則應(yīng)提高輔助氣體的壓力，以防止切口出現(xiàn)掛渣；當(dāng)切割管壁厚度較大或者切割速度較慢時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低輔助氣體的壓力，以防止出現(xiàn)管材割不穿或者割不斷。

       在激光切割管材時(shí)，光束焦點(diǎn)所處的位置也十分重要。切割時(shí)焦點(diǎn)位置一般在切割管件的表面位置，當(dāng)焦點(diǎn)處于較好位置時(shí)，割縫最小，切割效率最高，同時(shí)獲得的切割效果也最好。大多數(shù)情況下，光束焦點(diǎn)調(diào)整到噴嘴下方，噴嘴與管材表面的間距大約為1.5mm。與此同時(shí)，激光脈沖波形、光輸出模式等因素也都對(duì)切割效果產(chǎn)生一定的影響。

       結(jié)束語(yǔ)

       激光切割管材離不開(kāi)硬件─激光切割系統(tǒng)（包括激光發(fā)生器）和軟件─激光切割工藝這兩方面技術(shù)的支撐。從硬件來(lái)看，未來(lái)的激光割管機(jī)會(huì)朝著高速度、高精度、高自動(dòng)化、柔性化、功能多樣化的方向發(fā)展；從軟件來(lái)看，未來(lái)的激光切割會(huì)與數(shù)控技術(shù)不斷結(jié)合，以開(kāi)發(fā)出新的軟件，因此對(duì)激光切割工藝數(shù)據(jù)的收集與整理，建立和完善專(zhuān)家系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)激光切割行業(yè)的發(fā)展都具有重要意義與研究?jī)r(jià)值。