鍍鋅鋼板激光切割工藝參數(shù)研究

雷偉斌，韓斌慧

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程學(xué)院，陜西 西安 710089 )

鍍鋅鋼板具有較強(qiáng)的防腐蝕能力，不僅因?yàn)殇\可以在鋼鐵表面形成致密的保護(hù)層，而且具有陰極保護(hù)效果，當(dāng)鍍鋅層破損時(shí)，仍能通過陰極保護(hù)作用來防止鐵質(zhì)母材腐蝕[1]，因此鍍鋅鋼板廣泛應(yīng)用于汽車制造、建筑、交通運(yùn)輸、家具制造等領(lǐng)域。對(duì)于較厚的鍍鋅鋼板傳統(tǒng)的切割方式很難滿足切割質(zhì)量和效率的要求，而激光切割技術(shù)具有速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)切割技術(shù)的不足。影響激光切割質(zhì)量的因素較多，如切割速度、激光功率、離焦量、脈寬、頻率等，若切割參數(shù)選擇不當(dāng)會(huì)使切割質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。孫建華等[2]采用正交試驗(yàn)分析法對(duì)激光切割430不銹鋼板材的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為提高切割質(zhì)量和效率提供了參考；馮巧波等[3]采用 YAG 脈沖激光切割機(jī)對(duì)1 mm厚的304不銹鋼薄板進(jìn)行切割試驗(yàn)，研究了電流、脈寬、切割速度等切割參數(shù)對(duì)304不銹鋼薄板切割質(zhì)量的影響，并得出了合理的切割參數(shù)；史堯臣等[4]以1 mm厚1Gr17Mn6Ni5N薄鋼板為研究對(duì)象，采用YAG激光對(duì)其進(jìn)行切割，通過正交試驗(yàn)分析法系統(tǒng)地分析了激光功率、脈沖寬度、重復(fù)頻率對(duì)激光切割薄鋼板上下切縫寬度的影響規(guī)律，為激光切割參數(shù)的選取和優(yōu)化提供了依據(jù)；魏同學(xué)[5]采用光纖激光切割2 mm厚06Cr19Ni10不銹鋼板，設(shè)置不同的激光功率、切割速度、離焦量等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，最終得出合理的切割參數(shù)。

目前，國內(nèi)外對(duì)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)于鍍鋅鋼板的激光切割工藝研究較少。本文采用YAG激光切割1.5 mm厚鍍鋅鋼板，分析切割速度、激光功率、離焦量等參數(shù)對(duì)切縫上下寬度、掛渣量、是否切透的影響，最后得出合理的工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

本試驗(yàn)采用武漢楚天股份有限公司生產(chǎn)的JHM-1GY-500D型YAG激光切割機(jī)，如圖1所示，其主要由電源柜、主機(jī)柜、冷卻系統(tǒng)組成，主體部分是脈沖Nd:YAG固體激光器，工作介質(zhì)是摻釹釔鋁石榴石晶體，泵浦源為氙燈，其輸出激光為波長1.064 μm的不可見紅外光，額定輸出功率600 W，冷卻方式為水冷，輔助氣體為空氣，氣壓為0.7 MPa。切縫寬度采用光學(xué)影像儀測(cè)量，并取平均值作為最終測(cè)量值[6]。

圖1 激光加工設(shè)備

試驗(yàn)切割對(duì)象為1.5 mm厚的DC54D+Z鍍鋅鋼板，該鋼板為熱鍍鋅鋼板，具有超低碳鋼、特深沖、純鋅鍍層的特性，其基本成分見表1。

表1 DC54D+Z鍍鋅鋼板成分 %

1.2 試驗(yàn)方案

本文試驗(yàn)以研究切割速度、激光功率和離焦量對(duì)鍍鋅鋼板切割質(zhì)量的影響為目的。首先，在200 mm× 200 mm的鍍鋅鋼板上每隔10 mm切割一條縫，對(duì)每條縫隙的上、下縫隙寬度進(jìn)行測(cè)量；然后，觀察下縫隙處的掛渣情況并對(duì)其進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析；最后，根據(jù)分析結(jié)果得出最佳切割工藝參數(shù)。試驗(yàn)工藝參數(shù)以設(shè)備說明書為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)整，切割速度為400 mm/min，激光功率為300 W，離焦量為0。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 切割速度對(duì)切割質(zhì)量的影響

切割速度對(duì)切割質(zhì)量、切割效率有非常重要的影響。在激光切割過程中若切割速度過快，會(huì)導(dǎo)致工件切不透，切割面粗糙；若切割過慢，則工件會(huì)過熔，下表面熔渣增多，切縫寬度增加，影響切割質(zhì)量。

圖2為不同切割速度下工件上、下表面的宏觀形態(tài)，表2為不同切割速度下工件切割質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表。

圖2 不同切割速度下工件上、下表面宏觀形態(tài)

表2 不同切割速度對(duì)切割質(zhì)量的影響

從圖2和表2可知，在其他參數(shù)不變的情況下，當(dāng)切割速度達(dá)700 mm/min時(shí)，出現(xiàn)了切不透的情況；切割速度為800 mm/min及以上時(shí)，切不透部分的尺寸增大，同時(shí)切縫寬度減小。這是由于切割速度快，聚焦到單位面積上的激光能量不能完全熔化切割處的金屬，從而導(dǎo)致無法切透的情況發(fā)生。從圖2中可以看出，當(dāng)切割速度較低時(shí)，在鍍鋅板的下表面處掛渣現(xiàn)象比較明顯，這是由于聚焦在單位面積上的激光能量大，熔化的金屬較多所致。由表2可以看出，在切割速度為600 mm/min時(shí)鍍鋅鋼板切割質(zhì)量較好。

2.2 激光功率對(duì)切割質(zhì)量的影響

激光切割功率的大小對(duì)切縫寬度、切割厚度和切割質(zhì)量有非常重要的影響。在其他參數(shù)不變的情況下，激光切割加工過程中存在最佳切割質(zhì)量的激光功率，若低于或高于該最佳功率就會(huì)產(chǎn)生掛渣或過燒,從而導(dǎo)致加工質(zhì)量下降。圖3為不同激光切割功率下工件上、下表面宏觀形態(tài)，對(duì)切割后試樣進(jìn)行測(cè)量，繪制出激光切割功率與切縫寬度、掛渣厚度的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖3 不同激光切割功率下工件上、下表面宏觀形態(tài)

圖4 激光功率與切縫寬度、掛渣厚度關(guān)系曲線

由圖4可知，在其他參數(shù)不變、激光功率從100 W遞增至600 W時(shí)，切縫寬度由0.68 mm增加至0.75 mm，切割縫隙背面的掛渣量逐漸減少，這是因?yàn)榧す夤β试龃笫辜す饧庸つ芰υ鰪?qiáng)，被加工材料充分熔化或氣化,從而使切縫寬度增加，掛渣減少，而且從圖3中可以看出6條切縫均切透。由此可知，在切割鍍鋅鋼板時(shí)增大激光切割功率可以有效提高切割質(zhì)量。

2.3 離焦量對(duì)切割質(zhì)量的影響

離焦量是激光焦點(diǎn)到工件表面的距離，它直接影響切割表面的粗糙度、切縫寬度以及熔融殘?jiān)母街鵂顩r。圖5為不同離焦量切割后工件上、下表面宏觀形態(tài)，圖6為離焦量與切縫寬度、掛渣厚度關(guān)系曲線。如圖5所示，隨著離焦量的減小試樣下表面掛渣厚度明顯增加，這是由于焦點(diǎn)位置太超前，使被切割的工件下端所吸收的熱量增多，在其他切割參數(shù)不變的情況下，導(dǎo)致被切割的材料和切縫附近已熔化的材料呈液態(tài)在工件下表面流動(dòng)，冷卻后被熔化的材料則會(huì)呈球狀沾附在工件的下表面。從圖6可知，當(dāng)離焦量從0.25 mm遞減至-0.95 mm時(shí)，切縫寬度從0.63 mm增加至0.73 mm，掛渣厚度從0.10 mm增加至0.25 mm，這說明離焦量對(duì)切縫寬度和掛渣厚度影響顯著。

圖5 不同離焦量下工件上、下表面宏觀形態(tài)

圖6 離焦量與切縫寬度、掛渣厚度關(guān)系曲線

3 結(jié)論

本文以1.5 mm厚鍍鋅鋼板為研究對(duì)象，采用YAG激光對(duì)其進(jìn)行切割，運(yùn)用單因素試驗(yàn)法分別分析了切割速度、激光功率、離焦量的變化對(duì)切縫寬度和掛渣厚度的影響，得出以下結(jié)論：

1)切割速度對(duì)于切割質(zhì)量有重要影響。在其他參數(shù)確定后，切割速度應(yīng)進(jìn)行合理的調(diào)整，切割速度過大容易切不透，切割速度過小切縫下表面寬度會(huì)增加，而且易掛渣。切割DC54D+Z鍍鋅鋼板速度為600 mm/min時(shí)切割質(zhì)量最好。

2)激光功率增大，激光加工能力增強(qiáng)，被切割材料燃燒充分，切縫寬度增大。切割DC54D+Z鍍鋅鋼板最佳激光功率為400 W。

3)在其他工藝參數(shù)與材料不變的情況下，離焦量減小使切縫寬度與掛渣厚度均有所增加，當(dāng)離焦量為-0.35 mm時(shí)，切割質(zhì)量最佳。