國產鈑金鋼板切割遭遇障礙
發布時間：2017-10-18
隨著計算機控制技術和光學技術的不斷進步，人們對于其加工能力的期待也越來越高，這種期待不僅僅是對能夠切，更是對切得好和切得快的期待。激光加工作為一種先進的材料切割手段，已經越來越為鈑金生產者所接受。
激光加工起步較早的歐美和日本，在上世紀80年代開始由激光加工機生產廠商對鋼材生產提出了具體的質量要求，從而有了區別于普通鋼材但價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，25mm以下普通鋼板就以激光專業材料作為標準材料了。然而，由于中國的發展太快，鋼材生產來不及適應，就有了中國鋼材與進口鋼材之分。其主要區別在于鋼材中雜質含量和對鋼材表面的處理以及運輸保管等一系列原因，造成了中國板材切割難的現狀。
當今中國的粗鋼產量不僅是世界第一，更是超過了全球產量的50%，發展中國家甚至一些像澳洲韓國等發達國家為節約成本也在大量使用中國板材，因此與其期待中國鋼材來適應激光切割不如研究和提出能夠優質地加工劣質材料的方法和提案。本文提出其中的一些思考以拋磚引玉。
1. 碳鋼厚板穿孔問題
在厚板加工中穿孔時間占很大比重，各激光廠商紛紛開發了快速穿孔的技術，較為有代表性的是高能穿孔（炸孔），這種方法的優點是速度快（1秒，以t16mm為例—以下相同），但缺陷是不僅影響對小形狀的加工，穿孔時注入的巨大能量使板材溫度升高進而影響接下來的整體切割過程。而用小功率脈沖進行穿孔的話，時間就很長（12秒），會導致切割的效率下降和單位成本的提高。
2. 切割面品質問題
示出了加工中厚板時經常會遇見的切割斷面，這樣的切割不僅成品質量受到質疑，還會伴隨著過燒和嚴重的粘渣出現，以致體現不出高價的激光加工機區別于其他切割手段的價值。
3. 整板加工穩定性問題
在對國產鋼材的整板加工中，經常會出現局部區域加工不良的現象。這種現象有時很隨機，即使在加工機狀態良好的情況下也會出現。為了處理局部故障品而大大地影響了整個工作進度，這里對此不明原因的加工失敗也給出一些筆者的分析和對策提案。
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孔邊緣附著物，控制脈沖的合理頻率邊冷卻邊穿孔。其特點是相對炸孔雖然時間稍長（3秒），但穿出的孔徑小（約φ4mm）且開孔邊緣無附著物以及入熱較低，便于接下來的正常切割加工，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別。
對于碳鋼來說改善切割斷面的重要因素是控制對板材的入熱并能保證激光照射部分的充分燃燒。三菱電機開發的K-CUT加工條件較好的完成了這一使命。圖4.是在同一塊國產板材上用傳統條件和K-CUT條件進行切割的效果比較。而對于不銹鋼來說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。亮面切割技術就是改善了發振器和噴嘴所得到的結果。圖5.是改善后的效果。斷面上部粗糙度8μ、下部12μ堪比機械加工。
3. 保證加工穩定性的方案
當前為了提高加工機的運行速度，激光機多采用俗稱飛行光路的結構，即材料托盤不動而加工頭在整個可加工區域內運動的形式。而為了補償加工頭與光源相對位置的變化，各廠商也盡可能保證光斑在加工范圍內的一致性，使用曲率可變折射鏡是普遍選擇的方式。這種方法雖然結構簡單卻會改變焦深，使在對焦深極為敏感的中厚板切割時會顯得力不從心（既要保持光斑不變又要保持焦深不變）。三菱電機采用的等長光路方式（在可加工范圍內光源與加工頭之間光傳播路徑等長）可避免焦深變化，從而使光斑和焦深都保持一致。另外對入熱的重視使板材積累的熱量得到控制，較好地解決了穩定性問題。示出了等長光路的原理及在加工區域中不同位置的加工效果。