管材激光切割的應用

       激光具有良好的單色性、相干性、平行性三大特點，因此特別適合應用于材料加工。國內傳統(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、工人勞動強度大等缺點，而激光切割憑借較快的加工效率、良好的加工效果等優(yōu)點廣泛應用于工業(yè)領域中。

       隨著科學技術和工業(yè)領域的發(fā)展，在航空器制造、工程機械、交通運輸、石油化工、農牧機械等工業(yè)部門中，已經廣泛采用管材制造零件。在實際生產中，管材有生產成本低、加工成形性好、結構件重量輕以及節(jié)省材料等優(yōu)點，所以管材切割在工業(yè)領域中有著很重要的地位。由于管材的形狀、尺寸及應用場合的不同，而且管材切割受加工質量等因素的制約，因此選用合理的加工設備、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，而國內傳統(tǒng)的切割方法雖然也能達到應用效果，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相結合，會使管材切割領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、切口光潔及無工具磨損等諸多優(yōu)點。隨著數(shù)控激光割管機的出現(xiàn)與發(fā)展，對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)其獨特的一面。激光切割管材時，不僅要求激光光斑相對于工件在三維空間按一定的軌跡運動，同時要求在整個加工過程中，激光光軸始終垂直于要切割管材的加工表面。對于可以進行自動調焦的數(shù)控光纖激光切割頭，其噴嘴可以通過自動測量和控制系統(tǒng)對工件表面進行自動跟蹤。生產實踐表明，管材切割的關鍵在于最大程度的消除切割質量缺陷，從而滿足管材的加工要求。對于復雜的管材進行穿孔、開槽、切邊或側凹等加工時，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量。

       管材激光切割的概述

       在加工過程中首先應該保證管材零件的割斷，以獲得所需長度的管材毛坯。國內傳統(tǒng)的管材切割方法難以滿足大批量生產的需要，而且這些傳統(tǒng)加工方法加工出來的管材零件，切斷面加工質量普遍不佳，有的甚至產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，而且難以達到理想的加工要求，有的甚至無法加工。

       管材激光切割的優(yōu)勢

       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，更加有利于實現(xiàn)生產的自動化和智能化，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)工序來完成加工的零件可以通過激光切割在同一臺設備上實現(xiàn)。隨著設備性能的不斷完善以及加工工藝的不斷改進，利用激光對管材進行高質量切割是可以實現(xiàn)的。

       管材激光切割的未來發(fā)展趨勢

       激光切割采用非接觸式的加工方式，在整個加工過程中，不會對管材的管壁有任何的壓力作用，所以不會造成管材外表面的變形或者塌陷。同時，激光切割管材時，割縫熱場復雜、冷卻困難、切割熔渣易堵塞等原因造成切割難度加大，因此要加強對這些方面的深入研究。

       激光切割對管材的材質、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、掃描等）和時間控制性（開、關、脈沖間隔）優(yōu)異，容易控制，又因為激光切割的精密性高、毛刺少，大大減少了后續(xù)處理所消耗的時間。當改變管材的直徑或者形狀時，只需要修改程序就行，因此對管材切割軟件進行開發(fā)就極具研究價值。激光切割系統(tǒng)和計算機數(shù)控技術相結合，可以構成高效的自動化設備，為優(yōu)質、高效、低成本的加工開辟新的道路。

       為了提高管材切割的工作效率，使用管材激光切割自動生產線才是最有效的生產方式。如何使用管材切割自動生產線進行激光切割呢？首先，聚焦之后的激光光束，必須保證與管材切割自動生產線上的被切割管材同步運行；其次，要求聚焦之后的激光焦點相對于被切割管材能旋轉一周，且激光光束軸始終與管材的軸線垂直相交，在切斷過程中，管材切割生產線的激光光束跟隨被切割管材一起運動。這些同步運動必須通過專門的控制系統(tǒng)進行控制，所以對管材激光切割自動生產線的研究也有著很重要的意義。

       管材激光切割的關鍵技術

       導光聚焦系統(tǒng)

       激光切割設備中，導光系統(tǒng)的作用是把激光發(fā)生器輸出的光束引導到聚焦光路的切割頭上。對于激光切割管材，要得到高質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)生器進行低階模輸出。

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

       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，形狀比較復雜，如果用常規(guī)方法編程加工會有一定的困難，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，利用數(shù)控系統(tǒng)記錄下各軸的進給情況以及參考點的坐標值，再通過激光切割系統(tǒng)的空間直線和圓弧插補功能，記錄加工過程的坐標值，并生成加工程序。所以研究激光光束與切割管材的自動垂直功能也是管材激光切割的重要技術內容之一。

       激光切割焦點位置的自動控制

       為了保證激光切割管材的切割質量，可以通過自動測量和控制裝置使焦點相對工件表面的垂直方向不變，這是激光切割管材的關鍵。目前，我們通過對激光焦點位置的控制與激光加工系統(tǒng)直線軸（X-Y-Z ）的一體化，使激光切割頭的運動更加輕巧靈活，而且對焦點的位置都能了如指掌，避免了切割頭在加工過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

       激光切割管材在當今工業(yè)社會的應用越來越廣泛，所要切割的管材也越來越多樣化，且管類零件自身也有其復雜性，因此根據(jù)切割管材的材質、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量，成為所有激光切割系統(tǒng)用戶最關心的問題。

       ⑴光功率的影響。

       對于連續(xù)波輸出的激光發(fā)生器來說，激光功率的大小會對激光切割產生重要的影響。理論上來說，激光切割管材設備的激光功率越大可獲得的切割速度越大，但是結合管材自身的特點，最大的切割功率并非最佳的選擇。當提高切割功率時，激光自身的模式也發(fā)生變化，這就會影響激光光束的聚焦。在實際加工中，我們常常會選擇在小于最大功率的情況下，讓焦點獲得最高的功率密度，從而保證整個激光切割的效率與切割質量。

       ⑵切割速度的影響。

       激光切割管材時必須保證切割速度在一定的范圍內才能獲得較好的切割質量。如果切割速度偏慢，過多的熱量就會堆積在管材表面，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。當切割速度加快時，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，如果切割速度過快，會出現(xiàn)管材割不穿或者割不斷的情況，從而影響整個切割質量。

       ⑶管徑大小的影響。

       激光切割管材時，管材自身的特性對加工過程也會產生很大的影響。例如圓管管徑的大小對加工質量有著明顯的影響，通過對激光切割薄壁無縫鋼管的研究發(fā)現(xiàn)，激光切割管材設備在各項工藝參數(shù)保持不變的情況下，管徑不斷增加切縫寬度也會不斷增加。

       ⑷輔助氣體的種類與壓力。

       切割非金屬和部分金屬管材時，可以使用壓縮空氣或者惰性氣體（如氮氣）作為輔助氣體，而對于大多數(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之后，確定輔助氣體的壓力大小也顯得極為重要。當以較高的速度切割管壁厚度較小的管材時，則應提高輔助氣體的壓力，以防止切口出現(xiàn)掛渣；當切割管壁厚度較大或者切割速度較慢時，應適當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，光束焦點所處的位置也十分重要。切割時焦點位置一般在切割管件的表面位置，當焦點處于較好位置時，割縫最小，切割效率最高，同時獲得的切割效果也最好。大多數(shù)情況下，光束焦點調整到噴嘴下方，噴嘴與管材表面的間距大約為1.5mm。與此同時，激光脈沖波形、光輸出模式等因素也都對切割效果產生一定的影響。

       結束語

       激光切割管材離不開硬件─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的支撐。從硬件來看，未來的激光割管機會朝著高速度、高精度、高自動化、柔性化、功能多樣化的方向發(fā)展；從軟件來看，未來的激光切割會與數(shù)控技術不斷結合，以開發(fā)出新的軟件，因此對激光切割工藝數(shù)據(jù)的收集與整理，建立和完善專家系統(tǒng)，對整個激光切割行業(yè)的發(fā)展都具有重要意義與研究價值。