光纖激光切割碳鋼工藝研究*

許天宇，劉懷亮，馬修泉，劉 慶

（1.廣東省智能機(jī)器人研究院，廣東東莞 523808；2.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；3.廣東國(guó)志激光技術(shù)有限公司，廣東東莞 523000）

0 引言

光纖激光器經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)足的發(fā)展，利用其中的高功率光纖激光切割各種材料，特別是金屬的應(yīng)用和研究得到的關(guān)注越來(lái)越廣泛。在厚板切割時(shí)，既要考慮切割質(zhì)量，又要考慮切割速度，而激光切割恰好能保證質(zhì)量和速度，其切割效率高于傳統(tǒng)切割工藝，且對(duì)被加工材料金屬或非金屬均能實(shí)現(xiàn)高效切割。切板材的尺寸精度、材料的變形量、切割面上下表面粗糙度以及表面掛渣深度等可以用來(lái)表征切割質(zhì)量。這幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的衡量是由激光器，氣體噴嘴，光束掃描方式組成的激光加工系統(tǒng)和零件材質(zhì)、形狀以及激光束特性等切割條件確定的[1-2]。

現(xiàn)如今，二氧化碳激光器和光纖激光器是激光切割領(lǐng)域使用最頻繁的激光器。用高功率光纖激光切割機(jī)床切割較薄金屬板時(shí)，在切割效率和切割質(zhì)量上有很大的優(yōu)勢(shì)；但在切割相對(duì)比較厚的板材時(shí)，目前主要用的是二氧化碳激光器。光纖激光器切割厚板目前處于研究階段，這里通過(guò)對(duì)高功率光纖激光切割機(jī)床切割20 mm厚的Q235b碳鋼板進(jìn)行研究，優(yōu)化了切割20 mm厚的Q235b碳鋼板的工藝，探索切割20 mm厚鋼板切比較好的工藝參數(shù)，從而使光纖激光在切割厚碳鋼板中的應(yīng)用更為廣泛。

光纖激光切割技術(shù)發(fā)展越來(lái)越迅速，相較于傳統(tǒng)的切割方法而言，光纖激光器切割具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，例如激光光束質(zhì)量好、能量轉(zhuǎn)換效率高、激光器體量大；同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、維護(hù)方便、長(zhǎng)期運(yùn)行成本低、高穩(wěn)定性等顯著特點(diǎn)?；诖耍絹?lái)越多的人探索將光纖激光器用在材料加工方面。在激光加工行業(yè)，激光切割是不可忽略的組成部分之一，占整個(gè)激光加工生產(chǎn)總值的絕大部分[3]。

目前，大功率光纖激光切割技術(shù)已十分先進(jìn)成熟，其優(yōu)異的加工性能和極高的效率使之被廣泛應(yīng)用于各種金屬切割行業(yè)。在國(guó)外，先進(jìn)的發(fā)展中國(guó)家，以及西方工業(yè)化水平高的發(fā)達(dá)國(guó)家均有大量人才對(duì)激光切割技術(shù)進(jìn)行研究和推廣應(yīng)用。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)部分高校和企業(yè)對(duì)激光切割的研究與應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。其中最具有代表性、應(yīng)用最為廣闊的是汽車行業(yè)。激光切割是激光加工行業(yè)中最重要的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)，占整個(gè)激光加工業(yè)的絕大部分以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約有一半以上的汽車零部件制造時(shí)需要用到激光切割技術(shù)[4]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用國(guó)志激光YMM-12000光纖激光器及對(duì)應(yīng)自己設(shè)計(jì)的激光切割頭，其實(shí)物如圖1所示，最大輸出功率為12 kW，輸出模式為多模連續(xù)輸出，波長(zhǎng)為1 080 nm。激光束通過(guò)芯徑為100μm的光纖傳輸，切割頭的準(zhǔn)直鏡焦距為100 mm，聚焦鏡焦距為200 mm，聚焦光斑直徑為0.2 mm，可調(diào)焦。焊接過(guò)程采用同軸吹氧氣，一方面將熔池吹開，另一方面是助燃作用，吹氣流量為40 L/min。其中水冷機(jī)對(duì)激光器和切割頭進(jìn)行冷卻。

圖1 實(shí)驗(yàn)用激光器與激光切割頭

試驗(yàn)材料為厚度20 mm的Q235b鋼板，鋼板的尺寸規(guī)格500 mm×500 mm×20 mm，化學(xué)成分如表1所示。切割前用丙酮碳鋼表面去除油污。切割試驗(yàn)過(guò)程中，保持激光功率和切割頭噴嘴不變，分別研究了單因素變化時(shí)切割速度、輔助氣壓和離焦量對(duì)切割表面的影響規(guī)律。

表1 實(shí)驗(yàn)材料化學(xué)成分

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備采用國(guó)志激光YMM-12000型12 kW光纖激光切割機(jī)床系統(tǒng)對(duì)厚20 mm的Q235b碳鋼板進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)。調(diào)節(jié)不同參數(shù)，在不同參數(shù)下，對(duì)相應(yīng)切割后試件的各種參數(shù)分別進(jìn)行測(cè)試及研究：微觀方面，分析了切口狀態(tài)；宏觀方面，分析了切面角度、切縫寬度、切面掛渣形貌等特征。樣品切割尺寸及走刀示意圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)計(jì)的切縫周長(zhǎng)為200 mm，平直面切縫中間為切口表面質(zhì)量分析樣本點(diǎn)；橫斷面觀察部位在距離直線切縫起始和終止點(diǎn)各20 mm處。接著對(duì)試樣切斷面進(jìn)行拋光，然后測(cè)量樣品切口的寬度和傾斜角度。

圖2 切割試件尺寸示意圖

2 結(jié)果分析

2.1 切割速度對(duì)切割性能的影響

實(shí)驗(yàn)利用國(guó)志激光12 kW光纖激光器組成的光纖激光切割機(jī)床對(duì)20 mm厚的碳鋼板進(jìn)行切割，采用控制變量法，設(shè)置的切割參數(shù)為：保持輔助氣壓40.2 N/cm2不變，機(jī)床切割速度分別設(shè)置1.5～2.5 m/min進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。得出切割速度對(duì)切縫外觀宏觀形貌圖如圖3所示。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：切割速度設(shè)置為1.5 m/min時(shí)，切縫寬度較大，背部有掛渣殘留；切割速度設(shè)置為2.0 m/min時(shí)，切縫較小，切割質(zhì)量較好；切割速度設(shè)置為2.5 m/min時(shí)，部分地方?jīng)]切透且橫切面掛渣嚴(yán)重。

當(dāng)切割功率一定時(shí)，若機(jī)床切割速度較慢，則導(dǎo)致線能量較大，單位時(shí)間內(nèi)，材料吸收的熱量較多，熔化金屬量增加，切縫變寬[5]；若輔助氣體未能將高溫熔化的部分金屬吹開，切縫背面會(huì)殘存多余的金屬，進(jìn)而形成掛渣缺陷，影響宏觀形貌；若激光切割速度過(guò)快，單位時(shí)間內(nèi)，受激光照射的材料吸收能量變小，小到一定程度時(shí)，激光熱源不能將20 mm鋼板徹底熔透，會(huì)造成更為嚴(yán)重的掛渣現(xiàn)象，即導(dǎo)致板材未切透。據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：切割20 mm的鋼板時(shí)，切割速度為2.0 m/min的切割質(zhì)量較為理想。

圖3 切割速度對(duì)切縫外觀質(zhì)量的影響

2.2 輔助氣體壓力對(duì)切割性能的影響

一方面，因?yàn)樘间撝泻剂枯^大，加上高溫下碳與氧氣會(huì)發(fā)生放熱反應(yīng)，所以切割碳鋼過(guò)程中輔助氣體一般選用氧氣，氧氣既起到助燃的作用，又起到吹掉熔渣的作用。另一方面，氧氣作為輔助氣體會(huì)與被加工材料反應(yīng)放出大量熱，在極短的時(shí)間內(nèi)，激光照射區(qū)域的溫度很快升高到熔點(diǎn)，然后在高速氣流作用下，熔化的金屬迅速被吹開，這時(shí)材料分離，最終會(huì)在切口部分形成帶有氧化膜的切割表面[6]。

實(shí)驗(yàn)中，為了實(shí)現(xiàn)分析輔助氣體壓力的變化對(duì)切割厚20 mm的Q235b鋼板質(zhì)量的影響，保持切割速度2.0 m/min不變，輔助氣體壓力在20～50 N/cm2范圍內(nèi)變化，研究切縫質(zhì)量。當(dāng)壓力在20～32.5 N/cm2之間變化時(shí)，切縫寬度較窄且變化不明顯；當(dāng)壓力為25.3 N/cm2時(shí)，切口傾斜角度達(dá)到最小，即切縫更垂直于工件表面；一旦輔助氣體壓力超過(guò)32.5 N/cm2時(shí)，切縫寬度會(huì)顯著增大。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著切割輔助氣體壓力的增大，切割過(guò)程中參與放熱反應(yīng)的O2增多，同時(shí)覆蓋被加工材料的面積增大，導(dǎo)致被氧化的金屬面積增加，燒蝕的部分也變多，熔化吹掉了更多的金屬[7]；當(dāng)輔助氣體壓力范圍超過(guò)32.5 N/cm2時(shí)，受激光照射而熔化的金屬基本全部被吹走，切割斷面成型光滑，材料表面與切口基本垂直，切割質(zhì)量較好。

當(dāng)輔助氣體壓力在一定范圍內(nèi)，切縫與材料表面形成的角度、切縫的平均寬度等會(huì)與氣體壓力成正相關(guān)關(guān)系，隨著氣壓的增加使更多的金屬被熔融吹出，形成的切縫較寬。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：激光頭上的噴嘴直徑一定時(shí)，切縫的寬度會(huì)有一個(gè)上限，在切縫寬度上限附近，越接近上限，掛渣越嚴(yán)重[8]。另外，若切割時(shí)材料的氧化大于被切割的速度，在其切口處將會(huì)形成條紋缺陷，且兩種因素差距越大，將會(huì)導(dǎo)致條紋形狀越粗、深度越大，間距也隨之變大，缺陷變得更為明顯。

觀測(cè)到利用光纖激光切割20 mm碳鋼板時(shí)，受熱而熔化的金屬在輔助氣體的作用下被吹落，但是試件底部會(huì)形成未被吹落的金屬堆積，從而造成熱量堆積[9]。此時(shí)切縫底部溫度高于頂部溫度，其氧化與切割速度的差值大于頂部的氧化與切割速度差值，導(dǎo)致條紋深度及間距大于頂部[10]。在切口底端會(huì)形成大條紋，頂端有小條紋，兩者之間則為較平滑的過(guò)渡區(qū)域。

2.3 離焦量對(duì)切割性能的影響

在研究離焦量對(duì)切割質(zhì)量的影響過(guò)程中，保持激光功率4 000 W，氣體壓力40.2 N/cm2不變，分析得出離焦量對(duì)切斷面宏觀形貌的影響如圖4所示。分析實(shí)驗(yàn)材料得出，A1=B1=8.9 mm＞C1=6.8 mm，C2=8.1 mm＞A2=6.2 mm＞B2=5.3 mm。由此可知，最上面式樣的切割質(zhì)量最好。

切割選取負(fù)離焦時(shí)，根據(jù)激光光束為高斯光束，可知切斷面被氧化面積較大，受熱面積也變大，此時(shí)切縫較寬。離焦量設(shè)置范圍在-8～-5 mm時(shí)，正面斷口受熱面積小，背面斷口寬度變寬，切割斷面傾斜角度較大。原因在于離焦量的設(shè)置大于-8 mm時(shí)，激光照射面積和輔助氣體O2覆蓋面積增大，使斷口正面寬度變大。當(dāng)激光束到達(dá)斷口背面時(shí)，能量密度降低，且大部分能量被熱熔的金屬吸收，進(jìn)一步減小了光束能量密度，斷口背面寬度反而變更小。當(dāng)離焦量為-8～-9 mm時(shí)，切斷口正、背面寬度差別最小，為切割20 mm碳鋼板理想的離焦量。

當(dāng)離焦量為-6 mm時(shí)，切割條紋較大；當(dāng)離焦量在-8～-9 mm時(shí)，切口條紋較細(xì)，即此時(shí)的表面切口寬度、切口質(zhì)量較好。這一結(jié)果與上述結(jié)果相吻合。

圖4 離焦量不同情況下的條紋對(duì)比圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了焊接速度、離焦量、輔助氣體氣壓對(duì)切割幾何形貌的影響，并作了分析。得到主要結(jié)論如下。

（1）光纖激光切割碳鋼過(guò)程中，準(zhǔn)直和聚焦鏡及光纖芯徑合適地搭配組合，方能達(dá)到比較理想的切割效果。

（2） 在切割厚20 mm的Q235b鋼板過(guò)程中，當(dāng)輔助氣體壓力不足，會(huì)產(chǎn)生掛渣缺陷；壓力過(guò)大，又會(huì)產(chǎn)生條紋缺陷，要根據(jù)板厚材料等選取合適的壓力。

（3） 切割碳鋼后的下斷面氧化速度領(lǐng)先切割速度的量值大于上斷面氧化速度高于切割速度的量值，導(dǎo)致切割斷面平整度較差。