激光切割及编程工艺
摘要：激光切割技术已在薄板下料中得到广泛应用，如何更好地提高材料的利用率，降低使用成本，是各企业面临的普遍问题。

本文详细分析了激光切割特点和原则，提出利用工件的公用边、零搭边排样技术优化切割路径来减少废料，提高材料利用率的工艺方法。

文章结合天津电力机车调车机项目下料中激光切割的应用，进行了激光板材切割技术的工艺研究，结果表明，通过优化激光切割工艺，材料利用率可提高 3% ～ 25%，切割长度可减少 10% 左右。

关键词：激光切割；公用边；零搭边；材料利用率
一、激光切割的介绍
激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。

激光切割属于热切割方法之一。

激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。

1）激光汽化切割
利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气。

这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。

材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。

激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料（如纸、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。

2）激光熔化切割
激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体（Ar、He、N等），依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。

激光熔化切割不需要使金属完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。

激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金等。

3）激光氧气切割
激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。

它是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。

喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。

由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。

激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。

4）激光划片与控制断裂
激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。

激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。

控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。

激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，与其他加工方式比较，激光切割一次性投入成本大，但是切割速度快、成型精度高、切割后断面光滑对材料无损伤且适用于多种材料的切割。

激光切割在薄板成型时，通过对程序的调整，可实现在复杂的三维工件上进行开孔、切割动作，用其替代复杂的冲孔、切割模具，能明显降低生产制造成本及缩短生产周期因此，目前激光切割已广泛地应用于城市轨道车辆制造、汽车工业制造及航空等行业中。

在天津电力机车的备料生产中，板厚 16mm 以下的碳钢、不锈钢材质的形件用料和板件用料都是由激光切割完成。

在生产实际中应考虑如何优化激光切割工艺，提高生产过程中板材利用率，缩短切割延米长度，从而实现提高工件质量及降低生产成本。

经过长期的实践探索，激光切割路径的优化和工件的公用边排样技术是激光切割减少废料的关键技术和难点。

二、激光切割技术的难点分析及工艺要求
2.1 难点分析
激光切割过程中切割路径的选择是激光切割中一大难点，它直接影响切割后工件质量及生产效率。

首先，切割路径排序直接决定激光器行走的路线，切割路线过于集中时，热输入量大造成板材变形，影响切割后工件尺寸精度，切割路线跳跃性大，切割时间明显增大，在实际生产中应考虑工件尺寸技术要求及切割时间，制定合理的切割路径。

其次，激光切割过程中同种板厚、同种材质的同种零件组合、异种零件嵌套的公用边搭边组合，单个零件之间的间隙≤ 5mm 时，切割顺序是否合理直接影响着激光切割设备能否正常运行和切割后工件的尺寸精度。

切割顺序不当，严重时会造成激光切割设备故障。

标记线和
切割线不正确交替，往往导致切件成刻件，刻孔成开孔，使切割工作无法进行。

2.2 切割技术的工艺要求
2.2.1 起火线位置
激光切割工件时，无论内外轮廓，起火时应尽可能选择直线段起火，以确保弧线的曲率和准确率。

当内外轮廓皆为圆孔或其它不规则曲线时，则选择相对无用边起火，以保证必用边外形形状及尺寸。

2.2.2 单个工件激光切割加工顺序
首先，加工各单个工件内部的切割线，最后加工单个工件的外轮廓。

先加工单个工件外轮廓，由于板材内应力释放后工件变形，工件脱离托料板发生移位，造成工件内部加工尺寸产生偏差。

对加工工件进行公用边处理时，应根据工件的结构特点，选择合理的位置进行处理，并将公用边作为内部切割线进行处理。

2.2.3 跳跃式切割
进行激光切割时，若工件内部加工位置比较密集时，若按顺序进行切割，会造成工件局部如热输入量过大，造成工件变形从而影响加工工件的尺寸精度，这种情况下，为避免造成工件尺寸偏差，采用跳跃式切割路线。

三、激光切割技术优化
3.1 公用边激光切割工艺
3.1.1 工艺方法介绍
公用边切割是指在原始板材范围内，将外轮廓规则的工件通过公用线条的方式组合成一个复杂的单个工件的切割路径优化方法，其中公用线条称为公用边。

首先，将通过公用边连接而成的复杂工件外轮廓连接成封闭线，然后工件原始的内部轮廓线连接成封闭线，将公用边作为标记线处理，最后，为这个复杂工件制定合理的切割路线，生成激光切割程序。

公用边切割是将整个板件看成一个复杂的零件进行编辑，切割效率高，有效节约板材。

但在编程前的图形处理的工作量较大，在路径优化上需要进行繁琐的顺序研究，在图形上进行手动路径修改，正确更改线条的参数，按照修改后的切割路线，生成激光切割程序。

3.1.2 公用边切割技术的应用
天津电力机车调车机底架组成上的筋板如图 1 所示，该工件用量较大。

在该工件的切割过程中，进行了同种零件公用边组合的激光切割工艺实践。

图1调车机底架筋板
正常排料方式与公用边排料方式的比较
为了确定合理的切割工艺，在生产过程中，对此工件采用了正常的排料方式和公用边排料方式，通过实际生产进行对比。

在该零件切割试验中，选取两块 600mm×450mm 的板料，在上面采用不同的排料方式，正常激光切割工件的排料方式见图 a ；公用边排料方式见图 b。

经过计算后得出表 1 中现实的试验数据。

图2
表1.不同排料方式的比较
按表 1 可见，对于此试验，相同面积原材料，采用公用边切割获得工件数量是正常排料方式切割的 1.5 倍，采用公用边与正常排料方式切割同样数量的工件，激光器行走路径减少2m。

可见，公用边切割工艺能提高生产效率及原材料利用率。

3.2 零搭边激光切割工艺
所谓零搭边切割，是指激光切割时不考虑切割工件外边缘，直接将板材的外边缘当做工件外边缘使用，进而减少切割中对板材的浪费的一种切割方式。

图 3 为天津电力机车调车机底架装配时使用的支撑梁，工件尺寸与板材相符，因此在切割过程中，理论上只设定切割工件内部的长孔及直线段，而不切割外边缘，长孔切割完毕后，工件也就成形。

但是由于实际上编程能力限制，这种再加工方法还没有熟练掌握。

图3
四、结论
选择合理的激光切割路径和采用激光公用边切割、零搭边切割等激光切割工艺，工件的切割质量得到明显提高、材料利用率可提高 3%~25%，切割长度可减少 10% 左右。

极大地提高了生产过程中经济效益。