光纖激光不銹鋼薄板切割工藝研究

李曉宇,陳繼民,劉富榮,蔣茂華,楊 威

(北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院,北京 100124)

激光切割是將能量聚焦到微小的空間,利用這一高密度的能量進(jìn)行非接觸、高速度、高精度的切割方法。激光切割是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù),相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械切割來(lái)說具有更高的切割精度、更低的粗糙度和更高的生產(chǎn)效率等特點(diǎn),特別是在精細(xì)切割領(lǐng)域,激光切割更具有傳統(tǒng)切割無(wú)法相比的優(yōu)勢(shì)。

迄今為止,關(guān)于激光切割國(guó)內(nèi)外有不少研究和文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。陳繼民等研究了激光入射角對(duì)切口寬度和切口表面粗糙度的影響[1]。李祥友等利用脈沖Nd:YAG激光器對(duì)不銹鋼切割工藝進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)脈沖的重疊度影響切縫寬度[2]。H.Golnabi等研究了氧氣輔助條件下激光切割不銹鋼板和低碳鋼最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)[3]。M.SOBIH等人使用千瓦光纖激光器切割1mm厚低碳鋼板,達(dá)到了切縫表面粗糙度低于1μm的良好效果,對(duì)Ivarson等人提出的氧氣輔助切割條件下切縫表面周期性波紋的形成機(jī)理,及提出的無(wú)法達(dá)到切面無(wú)波紋的效果提出了質(zhì)疑[4]。印度NATH A K等人研究認(rèn)為切割表面質(zhì)量受金屬熔層厚度的影響,并進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)際試驗(yàn)的對(duì)比,獲得了較接近的結(jié)果[5]。BYOUNG-CHEOL KIM等人研究了Nd:YAG激光切割不銹鋼切縫表面波紋形成原因,并進(jìn)行了數(shù)值模擬,提供了有益參考[6]。Wolfgang Schulz等人研究了切割過程中影響毛刺產(chǎn)生的主要原因,并通過模型模擬了激光調(diào)制脈沖抑制毛刺的產(chǎn)生[7]。但目前對(duì)光纖激光薄板切割各影響因素的綜合影響,及為獲得特定要求切縫的各方面影響的文獻(xiàn)不多,光纖激光切割相較于傳統(tǒng)的二氧化碳激光切割而言,其輸出功率更為穩(wěn)定、具有高光束質(zhì)量、更小的聚焦光斑、更高的切割速度、更窄的切縫、金屬材料有更高的吸收率。為此,作者對(duì)光纖激光不銹鋼薄板的精細(xì)切割進(jìn)行了一定的研究,獲得了一些精細(xì)切割規(guī)律,并得到了特定縫寬的最佳試驗(yàn)參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

實(shí)驗(yàn)所采用的光纖激光為IPG公司100 W光纖激光器及其成套搭配數(shù)控機(jī)床,激光波長(zhǎng)為1.06μm,激光輸出為連續(xù)模式,可進(jìn)行脈沖調(diào)制。經(jīng)測(cè)聚焦光斑為20μm。由光纖激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)傳導(dǎo)、擴(kuò)束、聚焦,垂直照射在被加工件表面,控制機(jī)床和激光加工頭相對(duì)移動(dòng)進(jìn)行切割。機(jī)床可由手柄操控進(jìn)行X、Y、Z軸移動(dòng)和直線、圓、矩形等簡(jiǎn)單操作,復(fù)雜切割工藝圖形,可通過電腦連接機(jī)床進(jìn)行控制。

試驗(yàn)中所用板材為0.2mm厚不銹鋼板(1Cr18Ni9Ti),在不同切割條件下,對(duì)薄板進(jìn)行切割,通過光學(xué)顯微鏡及表面形貌儀對(duì)切縫寬度和切縫表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量和分析,找出其影響和變化規(guī)律。

2 結(jié)果和討論

激光切割是激光與材料在極短時(shí)間內(nèi)的熱物理過程,激光的高密度能量對(duì)材料加熱,使金屬材料熔化,借助輔助氣體對(duì)熔化金屬進(jìn)行吹除。因此,影響切縫寬度和切縫質(zhì)量因素很多。切割表面質(zhì)量一般由以下4個(gè)指標(biāo)衡量:

(1)切口寬度及切口表面粗糙度。

(2)熱影響區(qū)的寬度。

(3)切口斷面的波紋。

(4)切口斷面或下表面有無(wú)掛渣。

本文主要討論激光功率、切割速度、離焦量、氣壓等對(duì)切縫的影響。

2.1 切割速度和功率與縫寬的關(guān)系

從圖1可發(fā)現(xiàn),隨著激光功率的增加,切縫寬度呈近似直線上升,而隨著切割速度的增加,切縫寬度呈遞減趨勢(shì)。由于激光切割是激光與材料的能量交換過程,同等時(shí)間條件下,激光功率增加,板材吸收能量增加,熱擴(kuò)散范圍加大,造成縫寬增大。同等功率條件下,切割速度增加,切縫寬度隨之遞減,這是由于切割速度增加,單位時(shí)間單位面積板材吸收的能量隨之減少,熱擴(kuò)散范圍減小,造成切縫寬度減小。

圖1 切割功率和速度與縫寬的關(guān)系

假設(shè)縫寬為功率、速度、離焦量、氣壓的函數(shù) W=f(P,v,h,p),若速度、離焦量、氣壓保持不變,我們找出單一因素條件下,縫寬和功率的函數(shù)關(guān)系。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的曲線圖中,發(fā)現(xiàn)縫寬和功率基本成線性關(guān)系。在此進(jìn)行一元線性回歸,得到回歸方程y^=0.66x+c(v,h,p)。

2.2 離焦量與縫寬的關(guān)系

從圖2可發(fā)現(xiàn),隨著離焦量的增大,切縫寬度近似線性增長(zhǎng)。

圖2 離焦量與縫寬的關(guān)系

由高斯光斑光束直徑公式

可知,在不同位置z處,光束直徑與z成線性關(guān)系。從圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)看,基本與理論線性關(guān)系近似。實(shí)際切割中要獲得 70μm的縫寬,從圖3中數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)看,離焦量在0.5mm左右能夠達(dá)到要求,具體的最優(yōu)參數(shù)將通過正交試驗(yàn)來(lái)獲得。

圖3 氣壓與縫寬的關(guān)系

2.3 氣壓與縫寬的關(guān)系

從表3可發(fā)現(xiàn),隨著氣壓增大,切縫寬度逐漸遞減,這是由于切割過程中,高壓氣體對(duì)熔融液體金屬進(jìn)行吹離,達(dá)到切割目的,吹除過程中伴隨著能量的流失,達(dá)到對(duì)板材的冷卻作用,隨著氣壓的增大,板材的冷卻速度也隨之增大,熔化層固化加快,使得切縫寬度隨之降低。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),氣壓對(duì)縫寬影響不是很大,但對(duì)毛刺影響很大,隨著氣壓的增大,毛刺明顯減少,在1.2 MPa氣壓下,幾乎沒有任何毛刺產(chǎn)生,切縫背面切割效果最好。

2.4 功率與切縫截面粗糙度的關(guān)系

從圖4可發(fā)現(xiàn),功率增加,切面的表面粗糙度值逐漸降低。當(dāng)功率為40 W時(shí),表面粗糙度最小值Ra=1.06μm,但隨著功率的進(jìn)一步增大,粗糙度值隨之又逐漸增大。

圖4 功率與表面粗糙度的關(guān)系

這與Nath A K等人[5]研究認(rèn)為切割表面質(zhì)量受金屬熔層厚度的影響相符,但切面粗糙度并不是與功率成線性關(guān)系,而是存在一個(gè)最佳值,功率過高或過低都將使表面粗糙度變差。

2.5 速度與切縫粗糙度的關(guān)系

從圖5可發(fā)現(xiàn),切割速度增加,切縫表面粗糙度值隨之降低,當(dāng)速度為40mm/s時(shí)達(dá)到最低Ra=1.06μm,隨著速度進(jìn)一步升高,表面粗糙度又隨之升高,這與M.SOBIH等人[4]使用光纖激光進(jìn)行切割時(shí)速度與表面粗糙度關(guān)系圖基本一致。

圖5 速度與表面粗糙度的關(guān)系

因此,在切割過程中,存在一個(gè)最佳的切割功率和切割速度,隨著切割速度或功率的增大,功率、切割速度與表面粗糙度關(guān)系曲線圖都將發(fā)生改變,將通過正交實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得所需要的最佳參數(shù)。

2.6 氣壓與切縫表面粗糙度的關(guān)系

從圖6可知,氣壓增大,切縫表面粗糙度非線性逐漸遞減,當(dāng)氣壓達(dá)到0.8 MPa后,氣壓再增大,表面粗糙度變化并不大。

圖6 氣壓與表面粗糙度的關(guān)系

與Nath A K等人[5]所研究發(fā)現(xiàn)的切割速度對(duì)切縫表面影響比氣壓對(duì)切縫表面影響有較大不同,從數(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn),氣壓對(duì)切縫表面的影響與速度對(duì)表面的影響曲線不同?？赡苁怯捎谒懈畈牧喜煌?、材料熔融的性能不同造成的。

從分析和討論中,我們發(fā)現(xiàn)離焦量對(duì)切縫寬度影響最大,實(shí)際加工中,需要切縫寬度為70μm的縫寬,發(fā)現(xiàn)離焦量在0.5mm左右能達(dá)到要求。而在表面粗糙度的測(cè)試中,當(dāng)氣壓達(dá)到一定值后,表面質(zhì)量并沒有大的改變,而功率和速度對(duì)表面粗糙度的影響都分別存在一個(gè)最佳值。為了達(dá)到最好的切縫質(zhì)量,結(jié)合各因素對(duì)切縫質(zhì)量的影響,及試驗(yàn)中得到的最佳參數(shù)大致位置對(duì)板材進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn)。當(dāng)功率為60 W,切割速度為50mm/s,離焦量為0.52mm時(shí),得到了切縫寬度為70μm,表面粗糙度為1.02μm的最佳切割數(shù)據(jù)。圖7為50倍光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)到的切縫表面。

圖7 切縫表面圖

圖8為表面形貌儀測(cè)量的切縫表面立體形貌,圖9為切縫表面高度柱狀圖。從圖9中可發(fā)現(xiàn),表面高度絕大部分在正負(fù)5μm內(nèi),說明切縫表面高度分布較均勻,獲得了較好的切割質(zhì)量。

3 結(jié)論

圖8 切縫表面形貌 Ra:1.02μm;Rq:1.26μm

圖9 表面高度分布柱狀圖

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