固体激光切割加工表面质量的试验研究

【摘 要】激光切割在机械工业、钣金、五金以及电子行业等加工领域扮演着重要的角色。本文通过正交试验分析，在其它条件一定的情况下探讨了脉冲宽度、放电电压、脉冲频率和切割速度对表面质量的影响，找出了影响加工质量的主次因素和最优参数组合。对解决激光切割加工中参数优化问题具有一定的理论和实践意义。

【关键词】激光切割；正交试验；表面质量

Research on Surface Quality of Solid Laser Cutting？Processing

GOU Gang LIU Yong ZHANG Xue-juan

（school of Mechanical Engineering &Automation，Xihua University，Chengdu Sichuan，610039，China）

【Abstract】Laser cutting is playing an important role in the field of machinery industry， sheet metal， hardware and electronics industries， etc. Through the analysis of the orthogonal test， the author discussed the influence of pulse width， discharge voltage， pulse frequency and cutting speed on surface quality when the other conditions are invariable， and found the primary and secondary factors and optimal parameter combination affecting surface quality.It is helpful to seek better technology parameter for production and the theory research.

【Key words】Laser cutting； Orthogonal experiment； Surface quality

激光加工是一门发展迅猛的特种加工技术，它具有高精度、高速度和高适应性的特点，同时还具有切缝窄、加工柔性好、热影响区小等优点。已经成为发展我国新兴产业，改进传统制造业的关键技术之一[1]。激光切割加工是一个相当复杂的热加工过程，影响因素非常多，而且各因素之间相互影响相互制约。如果加工时工艺参数选择不当，则加工质量必定会受到很大的影响。正确选择切割参数对于提高零件质量和生产效率以及减少加工成本具有重要意义[2]。目前切割参数主要集中在切割速度、激光功率和辅助气压上，一般情况下，激光功率和辅助气压都有相对稳定的参考值。本文主要探讨切割速度、脉冲宽度、脉冲频率和放电电压易调节工艺参数对切割质量的影响。通过正交试验，找出这几个参数的主次影响以及最优组合。

1 试验设计和试验内容

1.1 实验设备

实验采用武汉金运激光有限公司生产的KJG50330-500W-YAG金属切割机，主要技术参数如下：输入功率12.5KW；最大输出功率为500W；调制频率1～500Hz；光束脉宽0.5～20ms；激光波长1.064um。

1.2 实验材料

实验选用Q235低碳钢板，加工试样厚度尺寸：δ=3mm，切割样件平面尺寸：40mm×15mm。

1.3 正交试验设计

正交试验设计是研究多因素和多水平的一种设计方法，其根据正交性从全面的试验中选出具有代表性的点进行试验，这些点具备了“齐整可比，均匀分散”的特点，因此正交试验设计是一种高效率、快速、经济的实验设计方法[3]。如五邑大学的邓祥明曾使用改进的混合位级正交表L16（43×22）研究确定电火花线切割加工工艺参数[4]。本次采用正交试验，在其它条件一定的情况下，选择输入电压、脉冲宽度、脉冲频率和切割速度作为激光切割试验的因素。根据确定的4个因素和4个水平，采用L16（ 44 ），表头设计见表1。

表1 正交试验表头设计

1.4 激光切割试验结果

根据试验方案的设计随机安排顺序进行16次加工试验，部分试验结果如表2所示。

表2 正交试验结果

2 实验结果的极差分析

极差分析法又称为直观分析法，它具有直观形象、简单易懂、计算简单等优点，可以非常简单的观察分析出各试验因素水平变化对试验指标的影响大小、重要程度、变化范围，是正交试验结果分析最常用的方法[5]。根据极差分析方法，对正交试验数据进行极差分析如表3所示。

表3 极差处理分析表

由极差分析表3可知，在本次实验的四个因素中，对表面质量影响最大的是切割速度，其次是脉冲宽度，影响最小的是放电电压。在加工中获得最小表面粗糙度的最优组合是A1B2C3D2。

3 实验结果的方差分析

由于实验过程中往往存在误差，而极差分析虽然能直观形象地选择出最优参数组合，但不能区分出各因素水平不同而带来的系统误差和试验的随机误差。对于误差较大或者精度要求比较高的试验，只采用极差分析而不考虑试验误差的影响，就会给分析带来困难，甚至可能影响试验结论。采用方差分析可以更准确地分析出在各种因素作用下何种因素对试验指标影响较大[5]。对试验结果进行方差分析如表4所示。

表4 方差分析表

通过方差分析表4可知，Fc大于F0.9（3，3）=5.39，FB、FD大于F0.95（3，3）=9.28，因此因子C在α=0.1的显著水平上显著，B、D在α=0.05的显著水平上显著，因子A不显著。即切割速度对表面质量的影响最大，其次是脉冲宽度，输入电压的影响最小。这和极差分析的结果一致。

4 结语

在固体激光切割加工过程中，通过正交试验得到了不同加工参数（脉冲宽度、放电电压、脉冲频率和切割速度）对加工表面质量的影响规律，结果表明：

（1）本课题所选用的四个参数（脉冲宽度、放电电压、脉冲频率和切割速度）中，对激光切割质量影响最大的是切割速度，随着切割速度降低，切割表面粗糙度增加，速度过低时，因氧化反应热在切口前沿的作用时间延长，切口波浪形比较严重；随着切割速度的增加，工件表面的粗糙度有所提高，当达到一个最佳的切割速度时，此时切割表面的粗糙度最小。当切割速度增大到某一定值后则会出现无法切透板材的现象。

（2）脉冲宽度是激光能量作用的时间，在激光功率一定时，随着脉冲宽度的增加，一个脉冲激光能量就会增加， 相应地对板材的烧蚀效果就越大，表面粗糙度会有所增加。试验表明，减小脉冲宽度， 增加脉冲频率会使切口连续且平滑。

（3）激光功率、离焦量、辅助气压、板材厚度以及材料等因素对表面质量影响也很大，尤其是辅助气压和激光功率，本课题是在这些因素一定的情况下讨论加工中经常调节到的参数对割质量的影响情况，在以后的研究中，应该根据实际情况选择更多的参数和指标进一步深入研究。

【参考文献】

[1]孙晓东，王松，赵凯华，等.激光切割技术国内外研究现状[J].热加工工艺，2012，41（9）：214-216.

[2]阎启，刘丰.工艺参数对激光切割工艺质量的影响[J].应用激光，2006，26（3）：151-153.

[3]范彦宏，周玉成，李雅克.正交实验法在激光切割工艺参数选取中的应用[J].激光杂志，2008，29（5）：83-84.

[4]邓祥明.电火花线切割加工工艺试验研究[J].五邑大学学报：自然科学版，1999（3）：29-30.

[5]何少华，文竹青，娄涛.试验设计与数据处理[M].长沙：国防科技大学出版社，2002.