激光加工具有加工精度高、表面质量好、加工噪声低、设备振动小等优势。但激光切割也存在加工速度慢、材料利用率低、综合加工费用高等劣势。

       激光切割机采用非接触式加工原理，与普通的多工位冲床加工相比，不需要专用模具，所以其加工范围和条件受限制少，按产品设计要求可以随意切割复杂的形状，适合单件试制和小批量生产，能快速满足客户对产品个性化的追求。在厚板加工上，激光切割加工优势更加明显，可切割厚度超过20mm以上的钢板，一般多工位冲床只能加工3～8mm板厚的产品。由于激光切割机采用移动激光切割头加工板材，切割来回行走行程长；与多工位冲床相比，加工速度上要慢、总加工时间长、效率较低、辅助气体用量大，所以激光切割加工综合成本相比冲床加工高很多。如何缩短激光切割时间，提升激光切割加工效率，这是众多生产企业都比较关心的课题。

       提高激光切割机的效率和经济效益，主要是缩短激光切割时间，提高板材的利用率，不仅需要研究激光切割最短空行程，还要研究打孔耗时、切割停顿和套料共边等问题。

分析

切割时间

       激光切割路径可以划分成两部分，包含了用于去除或分离材料的切割路径和工序空程路径，其中切割路径是有效工作路径，所消耗的时间是有效切割时间，而空行程是无效路径，消耗的时间是无效工作时间。

       对于1台数控激光切割机，当使用最大功率加工部件时，在保证质量的前提下，其有效切割速度是一定的，要想提高切割效率，缩短无效切割时间，减少切割路径长度是主要的途径。另外，适当调整切割过程工艺参数，选用不同的穿孔方法，也可相应节约切割加工消耗的时间停顿。以打孔为例，如外光路调整、聚集光束、垂直度调整等属于工艺调节停顿。

材料利用率

       板材激光切割加工后分成两部分，包含了零件和余料，其中按设计图纸切割下来的工件是真正有用的零件，余料都是不规则的状态，通常是作为废料处理。所以激光切割材料有效利用率=有用零件面积/板材总面积×100%，要提高板材利用率，就必须减少激光切割后的余料。现在激光切割设备一般可利用计算机优化套排功能，将多个不同形状的零件套排在一张板上，减少各个零件的切割间距和搭边距离是材料节约的主要途径。当然，也可根据工件大小选用较小尺寸规格的原料板材，或者按零件实际尺寸直接做成非标定尺寸板材，来提高板材的实际利用率。

图1 共边切割案列

解决方案

       利用激光切割机的离线编程软件，对在板材上套料和工艺设定做优化，以提高板材利用率和切割效率，主要采取以下几点措施。

套料时采用借边、共边

       规则外形零件在套料时采用借边、共边套料。在共边切割（图1）时，两个零件其中有一条边是公共边，所以切割路径会大幅度缩短，从而减少了切割时间。一张板上不能将所有零件都做共边，一般建议2～4个零件之间作为一组做共边。不然所有零件都共边在一起，会造成零件在工作台上不稳定，由于切割完后的零件会翘起，在加工完的产品零件边上加工别的部件，会干涉、损坏切割头。为提高最终零件的外形尺寸精度。其实共边切割时，可采用桥接方法即在套料时零件和零件之间要有间距做精密微连接（图2），距离为激光光斑的直径。

图2 微连接

       据统计，采用共边切割案例，实际切割路径能缩短30%，材料利用率提高8%左右。

减少切割头抬起动作

       通常机床在切割完一个轮廓后会抬起到一定高度，然后移动到下一个轮廓的切割位置做刺穿和切割。其目的在于防止切割头在从当前轮廓移动到下一个切割轮廓时，与被切割件相撞。但是一旦对切割头的切割路径做优化，或采用微连接处理轮廓，则可去除切割头的抬起动作，提高机床的切割效率。

图3 切割头抬起动作优化前后对比图（虚线为切割头运动路径）

       如图3a所示为切割头的抬起动作，如图3b所示为在编程软件中做优化和设定后切割头不抬起，直接移到下一个轮廓的切割位置进行切割。

       注意，使用上述优化手段后，必须注意切割头的运动轨迹，也就是说切割头不能从已经切割完毕的轮廓上方走过，如图3所示。

       如图4所示，零件1割完后，切割头直接沿着红线移到零件2位置做切割，应该避免下面这种情况，如果零件1未采用微连接的话，零件容易翘起来，当切割头从上方走过时，零件会和切割头发生碰撞。

       解决方案：⑴零件1使用微连接，使零件1在割完后不会翘起来；⑵修改导入线位置；⑶如图5所示，零件1割完后，切割头不会从零件1上方直接越过。

图5 优化之后的激光头切割路径

优化切割路径起点打孔的工艺处理

       激光切割孔前，先要在板材上打孔，材料经连续激光的照射后在中心形成一个凹坑，然后由与激光束同轴的工作气流将熔融材料去除形成一个孔。此孔类似于线切割的穿线孔，激光束以此孔为加工启始点进行轮廓切割。通常情况下，飞行光路激光束的走线方向和被加工零件切割轮廓的切线方向垂直。影响激光打孔质量的因素有很多，应该要根据打孔的原理和特点，而且必须对打孔的参数进行分析和了解，以优化加工工艺，对不同零件轮廓使用不同的刺穿工艺和加工工艺。激光切割机的刺穿方式主要为以下三种：

       ⑴不刺穿（适用于1mm以下的薄板）。

       ⑵普通刺穿即脉冲方式刺穿，采用高峰值功率的脉冲激光使少量材料熔化或汽化。每个脉冲光只产生小的微粒喷射，逐步深入，因此厚板穿孔时间需要几秒钟。优点是刺穿孔质量高，保证切割质量。缺点是耗时长，需要一定的调试经验，刺穿时间随板材厚度增加而增加。

       ⑶快速刺穿即爆破穿孔，材料经过连续激光的照射后在中央形成一个凹坑。优点是刺穿时间短。缺点是刺穿孔大，如果位置设置不好会影响轮廓，从而影响切割质量；刺穿时间在1s之内。

       对于厚板切割，尤其是大轮廓切割。例如4mm以上碳钢板，直径为10mm以上的孔，可以建议使用快速刺穿取代普通刺穿；但是设置快速刺穿前，要合理地调整轮廓切割的导入线长度（快速刺穿的孔孔径较大，表面粗糙，需要更长的导入线以修正切割质量）。

       如图6所示，为普通刺穿和快速刺穿的比较，很明显快速刺穿的孔要大于普通刺穿，其对轮廓边缘的影响也大于普通刺穿。

图6 穿孔方式

优化板材套料，节约板材浪费

       由于工艺需要，零件在套料时往往会预留安全空间，比如零件套料之间的间距或距离板材外围轮廓的距离。适当减少间距，或采用共边能起到节约板材的目的。

结束语

       为了说明如何缩短激光切割时间，提高板材利用率，本文提出了采用共边切割，优化板材套料，减少切割头抬起动作，合理选用打孔方式。经过实际验证，综合运用上述方法，能有效提高工作效率，减少废料，提高综合经济效益。

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