摘 要：目前，在航空发动机产品中，很多零件需要进行孔的加工，为了高效、准确的加工出高质量的孔，激光切割无疑是较好的加工方法，本文根据我公司研制产品结构及设计要求开展了针对航空产品加工孔时进行不同材料的工艺研究，阐述了激光切割的基本原理，确定了不同金属板材激光切割工艺试验方案，得出了工艺试验研究的结论。
关键词：材料；激光切割；工艺研究
1 激光是原子核外电子受激辐射经光放大而形成的光辐射。它能有效地解决传统加工方法无法解决的问题，尤其是那些高硬度、高脆性材料的切割加工。
1.1 激光切割的过程
激光是利用经过聚焦的高功率激光束（常用C02连续或YAG脉冲激光）照射被加工物体表面，并辅助同轴喷射具有一定压力的气体（可以是压缩空气、氧气或惰性气体如氮气、氩气等），光束的能量以及活性辅助气体与工件材质发生化学反应的反应热被材料吸收，使材料熔化甚至汽化，随着光束与工件的相对移动，最终在工件上形成切缝。
1.2 激光切割的特点
与线切割、慢走丝、电脉冲等切割方法相比，激光切割无磨损、零件不受外力，效率高，噪声低，精度高，生产成本低，质量可靠等优点；与电子束相比，激光加工不受电磁干扰。
目前所涉及激光切割加工的产品共30余种零件，涵盖了静子环、导向器、扩压器、燃烧室、风扇机匣等产品；材料主要分为3类：不锈钢、钛合金、高温合金；加工的结构主要为切不同形状的孔。
2 激光切割原理与试验
2.1 激光切割
激光对材料的切割实质上就是对材料进行破坏。激光束打到工件表面，工件表面就会吸收和反射激光，这种吸收和反射主要取决于工件的材料种类。工件表面吸收激光能量，使自身温度上升，从而改变工件的结构和性能，造成不可逆的破坏。
激光切割大致可分为汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制断裂切割四类。本文涉及到的激光切割属于熔化切割，就是利用一定功率密度的激光束加热工件使之熔化，形成孔洞，同时依靠非氧化性辅助气流把孔洞熔融材料吹除、带走，形成割缝。
2.2 试验条件
2.2.1 试验设备
本试验使用的激光切割设备为德国DMG公司的LASERTEC 80FC。LASERTEC 80FC配备的激光器为Lasag 系列的FLS352N 激光发生器。
2.2.2 试片材料及规格
工艺试验是依据公司产品的材料、结构等特点进行制作，材料主要为不锈钢、钛合金、高温合金，每种的厚度都为（1，1.5，2，2.5，3，单位为mm）。
2.2.3 去离子水浓度
去离子水浓度要求2微西门子以下，最高不要超过5微西门子。
3 激光切割工艺试验方案
3.1 工艺试验问题点
工件在切割前，要对工件的加工工艺点进行分析，如工件的材料、厚度、切割路径、尺寸精度、切割质量因素影响（含气体的种类、压力、纯度等）等。零件的轮廓精度主要靠数控系统来保证。
零件的尺寸精度主要取决于工作台的机械精度和系统控制精度，而影响切割表面质量的因素很多，如激光、聚焦透镜、机械控制系统、材料、工艺参数等。
3.2 激光切割质量检验标准
切割质量主要对切口表面形貌（波纹度、表面粗糙度）、切口的垂直度、背面挂渣量、尺寸精度等要素来评价。我公司产品切口表面质量的检验方法有两种：一是目视检查；二是重熔层检查。
3.3 打孔点位置
激光切割要从一个起始点开始切割，这个点被称为打孔点，即指激光束开始一次完整的轮廓切割之前在板上击穿的一个很小的孔，又被称为引弧孔或切割起始孔。对于一般精度较高的产品都将打孔点设置在板材废料区以保证加工质量，同时要插入必要的切割引入、引出线。
3.4 光束半径补偿
由于激光束存在发散现象，因此聚焦后不可能是一个几何点而是一个具有一定直径的光斑，精密切割时为满足零件的尺寸要求必须对其进行半径的自动补偿，在实际的激光切割中，光斑直径一般在0.1-0.2mm，自动补偿时激光束中心轨迹偏离理论轮廓一个光斑半径，并对偏移后的中心轨迹进行处理。激光束的半径补偿同其他刀具半径补偿一样，在程序中置入所采用的加工刀具的半径值。
3.5 激光功率
激光切割机在加工过程中存在最佳的功率范围，当功率较小时，光束的能量不足使金属快速熔化，同时辅助气体的压力不能很快清除熔融金属，使切割表面粗糙度增大；随着激光功率的增大，开始获得较好的切口质量；当激光功率进一步增大时，单位时间内切割光斑中心处的能量密度增大，作用在材料单位面积上的激光能量增加，产生的热量增加，板材的熔化量也随着增大，但由于熔化物流动性差，致使熔渣不能及时排出，而且辅助气体的流量不能足以及时冷却切口会使切口产生烧灼现象，出现不规则纹理，从而引起切口表面质量的下降。
3.6 切割速度
切割用的激光束能量呈高斯分布，切割速度过高，激光与材料相互作用的时间短，作用于工件表面上起作用的有效的光斑面积减小，切口宽度相应的减小，而光束的照射点向切口前沿靠近，切口前沿的熔化速度跟不上激光束的前移速度，切口出现后拖线，切口表面粗糙度增加和切口下部出现挂渣；切割速度过低，激光与材料相互作用的时间加长，对材料起作用的有效光斑的面积增大，切口宽度自然随之增大，而此时切割速度跟不上熔化速度，过剩的反应热使切口发生过度熔化，热影响区随之增大，从而形成较宽的、不整齐的切口。
3.7 辅助气体种类、压力
激光切割需用辅助气体，对辅助气体的基本要求是：进入切口的气流量要大，速度要高，主要涉及到辅助气体的种类、压力和纯度。辅助气体的主要作用有几点：（1）充足的气体将熔融材料喷射带出；（2）冷却作用；（3）有利于提高工件对激光的吸收率；（4）提高切割速度；（5）获得更佳的切割质量。保护气体我们常用氮气、氩气和氧气，压力为10-15Bar。
综上所述，激光功率、切割速度、辅助气体压力等对切缝质量均有较大影响，除此之外，光束直径、散焦量等参数对切割质量均有一定程度的影响，在试验中使用的设备为LASERTEC 80FC，激光功率通过调节脉宽、频率、电压进行控制。进给速度、辅助气体压力在数控程序中自行设定。
4 激光切割试验及结果
本试验根据试验方案进行展开，分别对不锈钢试片、高温合金试片和钛合金试片进行了激光切割试验。
将工艺试验中确定的工艺参数及数控程序用于加工相同材料及厚度的正式产品，可得到相同的表面质量和尺寸精度，所以在加工正式产品前一般都先对相同材料及厚度的试片进行试切，以降低废品率和生产成本。
5 结论
本文针对不锈钢、钛合金、高温合金板材进行激光切割试验研究，通过试验得出如下主要结论：
5.1 脉宽、频率、电压、激光功率、切割速度、保护气体压力等工艺参数的确定只与零件材料及厚度有关，与切缝形状及大小无关。
5.2 在加工每批正式产品前，先对相同材料及厚度的试片进行试切，切割质量稳定后，固化加工参数和数控程序。
在今后的工作中，继续在航空产品中，开展不同材料、不同厚度的激光切割试验，建立激光切割工艺参数数据库；开展激光三维切割及打孔工艺技术研究。
总之，在产品研制过程中，激光加工工艺技术在某些方面将逐步替代，而且一定会起到越来越关键的作用。
参考文献
[1]张永康.激光加工技术[M].北京：化学工业出版社，2004.
[2]LASERTEC 80FC激光切割机培训教程.DMG公司培训教材.2008.