激光切割430不銹鋼板材的工藝

孫建華，侯忠霖，2，張立新，于欣岐，趙　寧，高乙元

（1.遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院 激光先進(jìn)制造技術(shù)研發(fā)中心，遼寧 鞍山　114051；2.大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧省先進(jìn)連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連　116023）

近年來由于鎳資源的短缺，鐵素體等節(jié)鎳型不銹鋼得到了飛速發(fā)展。430鐵素體不銹鋼作為最早開發(fā)的鐵素體不銹鋼鋼種之一，具有線膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)大、冷加工性能好及抗應(yīng)力腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)良特點(diǎn)，且其價(jià)格也比大部分其他鋼種低廉，是目前使用和產(chǎn)量最大的鐵素體不繡鋼，主要應(yīng)用在汽車、家電、餐具等領(lǐng)域［1-3］。目前鐵素體加工過程還存在一定的弊端，其中切割質(zhì)量低劣就是典型的問題之一。當(dāng)前對(duì)430不銹鋼的切割主要是采用傳統(tǒng)的氬弧焊，切割時(shí)所需熱輸入大，切口寬度較寬，切割區(qū)及熱影響區(qū)脆化現(xiàn)象較明顯，抗拉抗彎強(qiáng)度差等缺陷，且需要后續(xù)表面處理，因此生產(chǎn)效率低，成本較高。

激光切割屬于非接觸式加工，與傳統(tǒng)加工方式相比具有切割速度快、熱影響區(qū)小、加工精度高、熱輸入時(shí)間短、組織性能穩(wěn)定、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是一種發(fā)展前景廣闊的切割方式［4-6］。孫健峰等人采用脈沖激光切割316L不銹鋼薄板并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明：切縫寬度與光斑直徑、激光功率、吸收率呈正相關(guān)，與切割速度、板厚、比熱、熔化焓、氣化焓呈負(fù)相關(guān)，刮渣物主要是由圓形和條形金屬顆粒物組成［7］；鄭磊等人研究了各工藝參數(shù)對(duì)光纖激光切割304不銹鋼薄板的切割質(zhì)量的影響，得到激光功率和焦點(diǎn)距離是切割表面粗糙度和掛渣量的主要影響因素，且都存在一個(gè)最佳范圍［8］；陳聰?shù)热死枚喙饫w激光切割機(jī)對(duì)AA6061鋁合金切割過程進(jìn)行了分析，優(yōu)化了該切割工藝，并得到了激光功率、切割速度等工藝參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響規(guī)律［9］。

目前，國內(nèi)外對(duì)奧氏體不銹鋼和鋁合金的激光切割理論及工藝研究已較為成熟，但對(duì)鐵素體不銹鋼方面的研究還比較匱乏。本文以IPG連續(xù)激光器為切割主體設(shè)備，較為系統(tǒng)地研究了各工藝參數(shù)對(duì)430鐵素體不銹鋼板材切割質(zhì)量及顯微組織的影響規(guī)律，并得出切割板材的最優(yōu)工藝參數(shù)。

1　試驗(yàn)材料及設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)采用IPG500連續(xù)激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。脈沖頻率為0.1～100 Hz，波長(zhǎng)1.064 μm，脈沖寬度 0.2～15 ms，聚焦鏡焦距 120、150 mm，焦點(diǎn)處光斑直徑0.6 mm。

圖1　IPG500脈沖纖維激光器Fig.1　IPG500 pulse fiber laser

試樣選用厚度為（1.5±0.1）mm的軋制態(tài)430鐵素體不銹板材，總尺寸150 mm×150 mm，為了節(jié)省材料，每個(gè)試樣的切割作用長(zhǎng)度有些許差距。為了保證切割性能不受雜質(zhì)的影響，在切割前用脫脂棉去除材料表面灰塵及有機(jī)雜質(zhì)并干燥。

430鐵素體不銹鋼化學(xué)成分：w（C）≤0.12%，w（Si）≤0.75%，w（Mn）≤1.00%，w（P）≤0.0350%，w（S）≤0.030%，w（Cr）≤16%～18%，w（Ni）≤0.6%。

金相顯微鏡采用Axioskop-2MAT。試樣規(guī)格為1.5 mm×10 mm，經(jīng)過粗磨，細(xì)磨以及拋光后，保證表面無劃痕后用去離子水清洗和酒精清洗，待其干燥后進(jìn)行腐蝕。本試驗(yàn)采用的腐蝕液為Fe-Cl3-HCl-H2O，其化學(xué)成分配比為氯化鐵5 g、鹽酸50 mL、水100 mL，腐蝕時(shí)間為10 s。最后利用光學(xué)金相顯微鏡對(duì)腐蝕后的試樣切口熱影響區(qū)的微觀組織進(jìn)行觀察。

2　實(shí)驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采取的切割方式是板材的直線切割，由于IPG激光器具有自動(dòng)調(diào)節(jié)位置的定位系統(tǒng)，切割時(shí)所設(shè)定的切割長(zhǎng)度要略小于板材的實(shí)際寬度，要保證板材表面所設(shè)定初始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)都在板材內(nèi)，定位過程中兩邊各留1 mm，保證切割頭不會(huì)損壞。試驗(yàn)板材后續(xù)為了鑲樣采用剪板機(jī)裁剪。本實(shí)驗(yàn)采取2因子3水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)方案詳見表1。

表1　正交實(shí)驗(yàn)方案Tab.1　Orthogonal experimental scheme

3　結(jié)果與討論

我國加工行業(yè)目前沒有制定用于評(píng)價(jià)激光切割質(zhì)量的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，常用的評(píng)估指標(biāo)有表面光潔度、切割面粗糙度、切口寬度、掛渣度及切口熱影響區(qū)變化程度（晶粒大小及長(zhǎng)度是否發(fā)生變化）。本文主要通過后面三個(gè)指標(biāo)來對(duì)切割質(zhì)量進(jìn)行分析說明，具體結(jié)果如表2所示。

3.1　激光功率對(duì)切割質(zhì)量的影響

激光切割過程中功率的大小會(huì)直接影響切口寬度、切割厚度和切割速度等，其主要由被切割材料的性質(zhì)及切割類型所決定。430不銹鋼的激光切割屬于熔化切割，所需的激光功率較低。圖2為切口寬度、掛渣量與激光切割功率的變化曲線。

從圖2中可以看出，隨著激光功率的增大，切口寬度也隨之增大，這是由于當(dāng)切割速度一定時(shí)，激光與金屬相互作用的時(shí)間相同，當(dāng)激光功率較小時(shí)，其熱輸入量只能熔化切口中心位置附近的金屬，因此切口寬度較小；隨著激光功率的增大，熱量由板材中心向兩端傳遞，從而加快了金屬向兩邊的熔化速度，切口寬度也隨之增加。

隨著激光功率密度的增大，切口寬度成比例增大是有限度的，即存在一個(gè)閾值。當(dāng)功率超過這個(gè)閾值后，工件汽化產(chǎn)生的光致等離子體會(huì)吸收、折射和散射入射激光，使作用于切割的激光功率密度降低，且由于切透之后，會(huì)隨著氣流流動(dòng)損失一部分熱量，因此單位時(shí)間內(nèi)熔化金屬不會(huì)隨激光功率的增大而繼續(xù)增大，此時(shí)切口寬度趨于一個(gè)定值。

表2　不同工藝參數(shù)下的指標(biāo)Tab.2　Indicators under different process parameters

激光切割過程中，由于熔化或汽化產(chǎn)生的廢料未能被輔助氣流徹底吹除，從而在切割面的下邊緣附著熔渣的現(xiàn)象稱為掛渣現(xiàn)象［10］，在實(shí)際切割工藝中，掛渣不但會(huì)影響切口的美觀，而且還會(huì)對(duì)切割工件的質(zhì)量造成影響，激光功率是控制掛渣量大小的一個(gè)重要影響因素。由圖2可知，在輔助氣流和切割速度一定的條件下，當(dāng)激光功率密度較小時(shí)，工件吸收的激光能量不足以使金屬在很短的時(shí)間內(nèi)快速熔化，而且輔助氣體的壓力也未能使熔融或汽化的金屬徹底吹除，從而使熔融金屬在切口下表面粘附形成熔渣。隨著激光功率的增加，單位時(shí)間內(nèi)作用于工件的能量增加，使金屬熔化量增大，此時(shí)熔化金屬黏性減小，且切口寬度增加，在一定輔助氣壓及流體靜壓力作用下，熔融金屬更易被去除，因此金屬下表面掛渣量減少。

圖2　激光功率與切口寬度、掛渣量的關(guān)系曲線Fig.2　Relationship curve of laser power and incision width，amount of dross

3.2　切割速度對(duì)切割質(zhì)量的影響

激光切割過程中，切割速度會(huì)直接影響不銹鋼板切割質(zhì)量，因此，確定最佳的切割速度對(duì)改善切割質(zhì)量具有重要的意義。圖3為切口寬度隨激光切割速度的變化曲線。

如圖3所示，在其他條件一定的情況下，隨著切割速度的增加，切口寬度隨之減小。這是因?yàn)殡S著切割速度的增大，激光束的移動(dòng)速度大于切口前沿激光與材料相互作用的速度，激光光束與金屬材料的作用時(shí)間變短，熱量輸入降低，激光光斑停留的時(shí)間減少，切割區(qū)的金屬板材與激光焦點(diǎn)能量的耦合減弱，金屬的熔化量減少，因此切割寬度減小。

圖3　切割速度與切口寬度、掛渣量關(guān)系曲線Fig.3　Relationship curve of cutting speed and incision width，slag amount

激光切割過程中，掛渣量與切割速度呈正相關(guān)。當(dāng)切割速度較小時(shí)，激光與工件作用時(shí)間較長(zhǎng)，作用與金屬表面的有效光斑的直徑增大，切割區(qū)的金屬板材與激光焦點(diǎn)能量的耦合增強(qiáng)，而此時(shí)切割速度大于熔化速度，致使過剩的反應(yīng)熱長(zhǎng)時(shí)間作用于金屬切口區(qū)，切口處發(fā)生過度融化，從而形成較寬的切口，與此同時(shí)在輔助氣體的將切割熔渣迅速吹離切縫，因此在切口處不存在不過多的熔渣。而切割速度過高會(huì)影響輔助氣體對(duì)熔融態(tài)金屬的清除效率，熔融態(tài)金屬會(huì)滯留在切口截面和下表面，導(dǎo)致切口截面變粗糙，下表面掛渣量增加，切割面粗糙程度也會(huì)有一定增加趨勢(shì)。

3.3　不同切割工藝切口的顯微組織

切割區(qū)的顯微組織是決定切割工件質(zhì)量的主要影響因素之一。激光切割金屬板材過程中，高能激光束作用于金屬表面，材料表面迅速升溫并達(dá)到熔點(diǎn)，金屬材料開始融化，隨著激光切割的繼續(xù)，已切割區(qū)在金屬熱傳導(dǎo)的作用下，切割截面溫度快速下降，切割面及熱影響區(qū)會(huì)發(fā)生不同程度的淬火現(xiàn)象。沿板材切割截面方向存在溫度梯度，從而使該方向晶粒長(zhǎng)大不均勻，而這種晶粒尺寸差異會(huì)導(dǎo)致切割區(qū)的力學(xué)性能和疲勞特性下降，因此研究切割區(qū)的微觀組織對(duì)實(shí)際運(yùn)用具有一定指導(dǎo)作用。本實(shí)驗(yàn)采用是軋制態(tài)的430鐵素體不銹鋼作為實(shí)驗(yàn)基體，其顯微組織如圖4所示。

圖4　基體顯微組織Fig.4　Microstructure of matrix

圖5表明不同切割工藝參數(shù)對(duì)切割區(qū)晶粒的形核和長(zhǎng)大有不同程度的影響。試樣的晶粒長(zhǎng)大方向與掛渣方向一致，且都偏向切割方向，這主要是受切割方向和輔助氣流方向所影響，在輔助氣體的壓力及重力作用下熔融金屬流向切口反面，但氣體壓力沿切割截面的厚度方向呈減弱趨勢(shì)，且由于熔融金屬受到表面張力作用，因此熔融金屬在切口下表面的滯留時(shí)間就越長(zhǎng)，這就導(dǎo)致切口反面熱影響區(qū)比正面熱影響區(qū)更明顯，晶粒長(zhǎng)大的程度也更加明顯。通常切割截面上部分在強(qiáng)的輔助氣流作用下冷卻速度較快，晶粒還未來得及長(zhǎng)大，故而相對(duì)較細(xì)，為細(xì)晶區(qū)，截面下部分保溫時(shí)間比較長(zhǎng)，冷卻速度緩慢，因此晶粒相對(duì)較大，為粗晶區(qū)，中部為晶粒過渡區(qū)。由圖5a可以得到：減小激光功率和增加焊接速度都會(huì)使晶粒在一定程度上得到細(xì)化，但又會(huì)導(dǎo)致切口寬度小、下表面掛渣增加等缺陷，而9號(hào)試樣由于功率與速度都較大，因此切口上下部分晶粒長(zhǎng)大十分不均勻，且此時(shí)切口寬度較寬，所以這就需要綜合考慮各個(gè)工藝參數(shù)之間的耦合，以確保得到更好的切割質(zhì)量。

在本文實(shí)驗(yàn)條件下，通過2因子3水平正交實(shí)驗(yàn)及觀察金相組織的分析，得到在輔助氣體壓強(qiáng)為0.6 MPa的條件下，激光切割430不銹鋼的最佳工藝參數(shù)為：激光功率350 W，切割速度0.01 m/s。

4　結(jié)論

針對(duì)冷軋430鐵素體不銹鋼板材的切割切口截面性能較差的問題，本文提出利用IPG連續(xù)激光器對(duì)430不銹鋼進(jìn)行切割試驗(yàn)研究，在本試驗(yàn)設(shè)定的條件下，分析討論了不同工藝參數(shù)對(duì)切口的影響，得出以下結(jié)論：

圖5　不同切割工藝參數(shù)下的切割區(qū)顯微組織Fig.5　Cutting zone microstructure under different cutting parameters

（1）隨著激光功率的增大，切口下表面的掛渣量減少，切口寬度增大，熱影響區(qū)的晶粒有變大趨勢(shì)；隨著切割速度的增加，掛渣量增加，切口寬度減小，熱影響區(qū)晶粒變大，但相比功率增大時(shí)，并不明顯，切口光潔變好，切口的表面質(zhì)量有所提高。

（2）由于金屬熱傳導(dǎo)作用及輔助氣流的影響，沿切割截面方向溫度存在溫度梯度，使該方向晶粒不均勻長(zhǎng)大，且由于輔助氣流的影響，晶粒長(zhǎng)大的方向與切割方向一致。

（3）430不銹鋼板材的激光切割過程是一個(gè)多參數(shù)影響的比較復(fù)雜的工藝過程，在輔助氣壓為0.6 MPa的條件下，所得的激光切割的最優(yōu)工藝參數(shù)為：激光功率350 W，切割速度0.01 m/s。

參考文獻(xiàn)：

［1］VENKATESAN M V，MURUGAN N，SAM S，et al.Effect of Heat Input on Macro，Micro and Tensile Properties of Flux Cored Arc Welded Ferritic Stainless Steel Joints［J］.Transactions of the Indian Institute of Metals，2014，67（3）：375-383.

［2］陳興潤(rùn).430鐵素體不銹鋼板坯組織分析［J］.冶金分析，2015，35（4）：49-53.

［3］ANTTILAS，KARJALAINEN P，LANTTO S.Mechanical properties of ferritic stainless steel welds in using type 409 and 430 filler metals［J］.Welding in the World，2013，57（3）：335-347.

［4］于冬洋，王續(xù)躍.激光同向切割單層碳纖維復(fù)合材料的溫度場(chǎng)模擬［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2017（4）：204-212.

［5］NAGESH S，MURTHY H N N，PAL R，et al.Investigation of the effect of nanofillers on the quality of CO2，laser cutting of FRP nanocomposites［J］.International Journal ofAdvanced Manufacturing Technology，2016：1-15.

［6］CHEN C，GAO M，JIANG M，et al.Surface morphological features of fiber laser cutting of AA2219 aluminum alloy［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2016，86（5-8）：1-8.

［7］孫健峰，張慶茂，楊洲，等.316L不銹鋼光纖激光切割工藝優(yōu)化研究［J］.應(yīng)用激光，2016（1）：72-77.

［8］鄭磊，張清萍.不銹鋼薄板光纖激光切割優(yōu)化實(shí)驗(yàn)［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2017，52（5）：41-45.

［9］陳聰，高明，顧云澤，等.光纖激光切割鋁合金薄板工藝特性研究［J］.中國激光，2014，41（6）：73-79.

［10］畢華麗.激光切割技術(shù)中工藝技術(shù)的試驗(yàn)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2006.