激光具有良好的單色性、相干性、平行性三大特點(diǎn)，因此特別適合應用于材料加工。國內傳統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)廣泛應用于工業(yè)領(lǐng)域中。

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，在航空器制造、工程機械、交通運輸、石油化工、農牧機械等工業(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、結構件重量輕以及節省材料等優(yōu)點(diǎn)，所以管材切割在工業(yè)領(lǐng)域中有著(zhù)很重要的地位。由于管材的形狀、尺寸及應用場(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備、加工方法以及工藝措施是十分重要的。

管材切割存在著(zhù)諸多不便，而國內傳統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(shù)相結合，會(huì )使管材切割領(lǐng)域有著(zhù)更加廣闊的發(fā)展前景。

管材激光切割的現狀和未來(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(zhù)數控激光割管機的出現與發(fā)展，對于空間自由曲面和曲線(xiàn)的多種加工工藝的發(fā)展更能展現其獨特的一面。激光切割管材時(shí)，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(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。對于可以進(jìn)行自動(dòng)調焦的數控光纖激光切割頭，其噴嘴可以通過(guò)自動(dòng)測量和控制系統對工件表面進(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。對于復雜的管材進(jìn)行穿孔、開(kāi)槽、切邊或側凹等加工時(shí)，激光切割加工不僅比傳統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)程中首先應該保證管材零件的割斷，以獲得所需長(cháng)度的管材毛坯。國內傳統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(xiàn)、正弦、余弦線(xiàn)切割，打標等。這些形式的管材加工如果使用傳統的加工方法，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(wú)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(shí)現生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化，切割效率相較傳統加工方式可提高8～20倍，加工費用降低70%～90%，可節省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。傳統加工方式需要多道連續工序來(lái)完成加工的零件可以通過(guò)激光切割在同一臺設備上實(shí)現。隨著(zhù)設備性能的不斷完善以及加工工藝的不斷改進(jìn)，利用激光對管材進(jìn)行高質(zhì)量切割是可以實(shí)現的。

管材激光切割的未來(lái)發(fā)展趨勢

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(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、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，又因為激光切割的精密性高、毛刺少，大大減少了后續處理所消耗的時(shí)間。當改變管材的直徑或者形狀時(shí)，只需要修改程序就行，因此對管材切割軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)就極具研究?jì)r(jià)值。激光切割系統和計算機數控技術(shù)相結合，可以構成高效的自動(dòng)化設備，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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)上的被切割管材同步運行；其次，要求聚焦之后的激光焦點(diǎn)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(xiàn)垂直相交，在切斷過(guò)程中，管材切割生產(chǎn)線(xiàn)的激光光束跟隨被切割管材一起運動(dòng)。這些同步運動(dòng)必須通過(guò)專(zhuān)門(mén)的控制系統進(jìn)行控制，所以對管材激光切割自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的研究也有著(zhù)很重要的意義。

管材激光切割的關(guān)鍵技術(shù)

導光聚焦系統

激光切割設備中，導光系統的作用是把激光發(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(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(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，形狀比較復雜，如果用常規方法編程加工會(huì )有一定的困難，這就要求操作人員根據加工工藝要求，選擇正確的加工路徑以及合適的參考點(diǎn)，利用數控系統記錄下各軸的進(jìn)給情況以及參考點(diǎn)的坐標值，再通過(guò)激光切割系統的空間直線(xiàn)和圓弧插補功能，記錄加工過(guò)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(dòng)垂直功能也是管材激光切割的重要技術(shù)內容之一。

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)測量和控制裝置使焦點(diǎn)相對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)對激光焦點(diǎn)位置的控制與激光加工系統直線(xiàn)軸（X-Y-Z ）的一體化，使激光切割頭的運動(dòng)更加輕巧靈活，而且對焦點(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。

主要工藝參數的影響

激光切割管材在當今工業(yè)社會(huì )的應用越來(lái)越廣泛，所要切割的管材也越來(lái)越多樣化，且管類(lèi)零件自身也有其復雜性，因此根據切割管材的材質(zhì)、形狀和加工要求，選擇合適的激光切割工藝參數，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用戶(hù)最關(guān)心的問(wèn)題。

⑴光功率的影響。

對于連續波輸出的激光發(fā)生器來(lái)說(shuō)，激光功率的大小會(huì )對激光切割產(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(diǎn)，最大的切割功率并非最佳的選擇。當提高切割功率時(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(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(zhù)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加工質(zhì)量有著(zhù)明顯的影響，通過(guò)對激光切割薄壁無(wú)縫鋼管的研究發(fā)現，激光切割管材設備在各項工藝參數保持不變的情況下，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（如氮氣）作為輔助氣體，而對于大多數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。當以較高的速度切割管壁厚度較小的管材時(shí)，則應提高輔助氣體的壓力，以防止切口出現掛渣；當切割管壁厚度較大或者切割速度較慢時(shí)，應適當降低輔助氣體的壓力，以防止出現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。大多數情況下，光束焦點(diǎn)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(shí)，激光脈沖波形、光輸出模式等因素也都對切割效果產(chǎn)生一定的影響。

結束語(yǔ)

激光切割管材離不開(kāi)硬件─激光切割系統（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)的激光割管機會(huì )朝著(zhù)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 )與數控技術(shù)不斷結合，以開(kāi)發(fā)出新的軟件，因此對激光切割工藝數據的收集與整理，建立和完善專(zhuān)家系統，對整個(gè)激光切割行業(yè)的發(fā)展都具有重要意義與研究?jì)r(jià)值。