不銹鋼薄板激光切孔工藝研究

施曉斌博雷（中國）控制系統(tǒng)有限公司

不銹鋼薄板激光切孔工藝研究

施曉斌
博雷（中國）控制系統(tǒng)有限公司

激光打孔技術(shù)利用高能量密度的激光束作用在材料表面，使材料氣化，從而去除材料實(shí)現(xiàn)打孔。相比于其它小孔加工方法，激光打孔更具有優(yōu)越性，是激光加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。本實(shí)驗(yàn)使用連續(xù)光纖激光器，以0.3mm的不銹鋼薄板為實(shí)驗(yàn)材料，進(jìn)行激光打孔的實(shí)驗(yàn)，以激光功率，切割速度，加速度/減速度，調(diào)制頻率作為四個探究因素研究孔質(zhì)量的改變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將各個因素進(jìn)行綜合分析才能得到好的打孔效果。

連續(xù)激光器；不銹鋼薄板；激光切孔

一、引言

激光打孔技術(shù)的主要原理是：當(dāng)具有高能量高密度的激光束打在材料的表面時(shí)，激光束使材料汽化，材料被部分去除，達(dá)到打孔的目的。激光打孔是一種具有廣泛應(yīng)用和高效率的打孔方式。本實(shí)驗(yàn)使用連續(xù)激光器為實(shí)驗(yàn)器械，以厚度為0.3mm的不銹鋼鋼板為實(shí)驗(yàn)材料，進(jìn)行激光打孔的研究。探究的實(shí)驗(yàn)因素是激光功率，切割速度，加速度/減速度，調(diào)制頻率，分別探究它們對孔徑質(zhì)量的影響。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)的主要器械是光纖激光切割機(jī)，這種機(jī)器的主要原理是：使用光纖激光器發(fā)射激光，發(fā)射出來的激光具有一定的能量和功率，使用控制軟件，將連續(xù)激光調(diào)制，變成脈沖光，利用光學(xué)垂直系統(tǒng)，讓脈沖光射到材料的表面，移動微機(jī)控制工作臺，就可以切割各種材料了。本實(shí)驗(yàn)的激光波長為1.06um，切割孔的直徑0.5mm，聚焦鏡的焦距為50mm，聚焦后的光斑的直徑0.05mm，最大功率為500w。

三、工藝實(shí)驗(yàn)

（一）實(shí)驗(yàn)因素一：激光功率對于孔的質(zhì)量的影響

調(diào)節(jié)器械，保證不銹鋼薄板處于激光打孔器的光斑焦點(diǎn)位置。將器械的調(diào)制頻率設(shè)為1kHz，速度為30mm/s，加速度/減速度的值為10mm/s，占空比為50%。通過實(shí)驗(yàn)的曲線圖，我們可以分析得知，當(dāng)激光的功率低于10%的情況下，無法打孔，激光無法將0.3mm厚的不銹鋼板射穿。激光功率增大后，孔徑隨之增加。在激光功率高于50%以后，孔的表面將出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化問題，此時(shí)的孔下將有沾渣的出現(xiàn)。所以，激光打孔時(shí)，功率不能太大，也不能太小。在現(xiàn)有參數(shù)下，30%的激光功率，打孔效果較好。

（二）實(shí)驗(yàn)因素二：切割速度對于孔的質(zhì)量的影響

調(diào)節(jié)器械，保證不銹鋼薄板處于激光打孔器的光斑焦點(diǎn)位置。將器械的調(diào)制頻率設(shè)為1kHz,加速度/減速度的值為10mm/s，占空比為50%，激光功率50%。如果切割速度太低，光斑部分出現(xiàn)很多重疊，將很有可能使材料表面出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象，同時(shí)會出現(xiàn)孔的邊緣粗糙，出現(xiàn)材料殘?jiān)南嚓P(guān)問題[1]。通過實(shí)驗(yàn)的曲線圖，我們可以分析得知，當(dāng)切割速度變大的時(shí)候，打孔效果會變得更好，但是如果切割速度過大，會出現(xiàn)嚴(yán)重問題，比如達(dá)不到鋼板的氣化值，沒有辦法打出完整的孔等等。一般來說，切割速度為50mm/s的時(shí)候，打孔的效果較好。

（三）實(shí)驗(yàn)因素三：加速度/減速度對于孔的質(zhì)量的影響

調(diào)節(jié)器械，保證不銹鋼薄板處于激光打孔器的光斑焦點(diǎn)位置。將器械的調(diào)制頻率設(shè)為1kHz，，占空比為50%，切割速度30mm/s，激光功率50%。理論上來說，當(dāng)加速度/減速度的值變大的時(shí)候，打出來的孔的邊緣將會變得粗糙，孔的反面的粗糙度很高，并有明顯材料殘?jiān)霈F(xiàn)，如果在加速度/減速度高于5050mm/s的情況下，激光打出來的孔的邊緣就會有齒狀的痕跡。通過實(shí)驗(yàn)的曲線圖，我們可以分析得知，在現(xiàn)有參數(shù)條件下，加速度/減速度的值不高于40，孔的質(zhì)量較好。或者，現(xiàn)有參數(shù)條件下，加速度/減速度的值為10左右，孔的質(zhì)量也較好。

（四）實(shí)驗(yàn)因素四：調(diào)制頻率對于孔的質(zhì)量的影響

調(diào)節(jié)器械，保證不銹鋼薄板處于激光打孔器的光斑焦點(diǎn)位置。將器械的調(diào)制頻率設(shè)為1kHz，，占空比為50%，切割速度30mm/s，激光功率50%。加速度/減速度10 mm/s。從理論上來說，如果調(diào)制頻率的值比較低的話，那么激光打孔的孔徑邊緣會出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化問題。當(dāng)調(diào)制頻率不斷變大的時(shí)候，孔徑邊緣的氧化問題就會慢慢得到遏制[2]。一般來說，如果調(diào)制頻率在1到1.5之間，那么此時(shí)孔徑邊緣的氧化現(xiàn)象比少，孔的邊緣粗糙度比較低，材料的殘?jiān)霈F(xiàn)也較少。如果調(diào)制頻率不斷繼續(xù)變大，孔邊緣的氧化問題又會重新變大，孔徑邊緣粗糙度繼續(xù)增大。因此，現(xiàn)有參數(shù)條件下，調(diào)制頻率的值在1到1.5之間會有良好的激光打孔質(zhì)量。

四、結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用了連續(xù)型的光纖激光器為實(shí)驗(yàn)器械，采用厚度為0.3mm的不銹鋼鋼板作為實(shí)驗(yàn)材料，探究四個不同因素對于孔質(zhì)量的影響。這四個實(shí)驗(yàn)因素分別是激光功率，切割速度，加速度/減速度，調(diào)制頻率。在激光打孔時(shí)，功率過大導(dǎo)致孔徑邊緣嚴(yán)重的氧化問題，激光功率越大，孔的直徑越大。當(dāng)器械的切割速度變大，孔的質(zhì)量變好，但是如果切割速度過大，會無法進(jìn)行激光打孔。當(dāng)加速度/減速度變大的時(shí)候，孔徑邊緣粗糙度明顯增加，如果加速度/減速度的值過大，會在孔徑邊緣出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化問題。調(diào)制頻率必須保持合適的值，否則也會出現(xiàn)氧化問題。因此，在激光打孔的實(shí)際操作中，較好的參數(shù)設(shè)計(jì)是：激光功率40%，切割速度30mm/s，加速度/減速度20mm/s，調(diào)制頻率1,占空比40%。

[1]孫冬麗.不銹鋼薄板激光切孔工藝研究[J].山東工業(yè)技術(shù), 2013,（13）：23+40.

[2]王金鳳,陳銀銀.不銹鋼薄板激光焊接工藝研究[J].熱加工工藝,2012,（01）：108-110.