激光切割不銹鋼工藝淺析

摘 要：激光切割不銹鋼技術(shù)就是利用激光束照射到鋼板表面上很小的區(qū)域范圍，激光束能量高度集中對不銹鋼板局部迅速加熱，不銹鋼蒸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對不銹鋼的切割。激光切割技術(shù)切割速度快、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)材料領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：激光切割；不銹鋼板；工藝

1 激光切割不銹鋼工藝特點(diǎn)

激光切割不銹鋼技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)。激光切割不銹鋼有多種方法，可以在二氧化碳激光中在切割斷面加氧氣，也可以加氮?dú)狻Ｆ渲?，加氧氣切割，會在切割面形成氧化膜；加氮?dú)馇懈钸吘墰]有氧化膜和毛刺，不需要作進(jìn)一步處理。對于切割不銹鋼薄板，通常為4mm以下的不銹鋼，激光切割是一個(gè)非常有效的加工工具，能夠保證不銹鋼薄板良好的耐腐蝕性。相對較厚的板也可以用激光切割，但切割部件的尺寸誤差也增大了。

1.1 激光切割的切縫窄、加工精度高，工件變形小

激光切割原理和過程是：激光源一般用二氧化碳激光束，激光束聚集在很小的區(qū)域范圍，聚焦焦點(diǎn)升溫快，能量高度集中，局部形成的熱量僅有少量熱傳到鋼材的其它部分，但是熱量傳導(dǎo)的部分遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于激光束輸入的熱量。不銹鋼材料迅速加熱汽化，進(jìn)而蒸發(fā)形成空洞，激光束移動，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫，從而完成切割。由于不銹鋼板局部升溫快，熱量被傳導(dǎo)的少，切邊受熱影響很小，因此切口寬度窄，一般只有0.1-0.5mm，工件基本不變形。

不銹鋼切割加氧氣可以對較厚的不銹鋼板進(jìn)行切割，切割最大厚度為20mm。氧作為輔助汽體與熔融金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，該化學(xué)反應(yīng)放熱，產(chǎn)生氧化材料，同時(shí)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣流能幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣，切割表面光潔美觀，因此切縫一般不需要再加工即可焊接，方便了后續(xù)加工。激光切割加工的不銹鋼板無毛刺、皺折、精度高。激光切割不需要模具，而且目前由微機(jī)程序控制，現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件，不使用模具，也無須修理模具，不僅節(jié)省了加工費(fèi)用、降低了生產(chǎn)成本，而且節(jié)約了更換模具的時(shí)間。

1.2 切割速度快

采用2KW的激光功率，8mm厚的碳鋼切割速度為1.6m/min；2mm厚的不銹鋼切割速度為3.5m/min，不銹鋼越薄切割速度就越快，從而提高生產(chǎn)效率。

1.3 切割能量高、密度可控性好

激光束熱量傳遞少，局部熱量高，可實(shí)現(xiàn)狹窄的直邊割縫，熱影響區(qū)寬度很小，切縫附近材料的性能也幾乎不受影響，局部變形很小，可忽略不計(jì)。激光切割與被加工工件無接觸，工件無機(jī)械變形，因?yàn)闆]有刀具也就不存在刀具變形的情況，不用更換磨損刀具，降低刀具打磨、購買成本；在加工不同形狀的零件時(shí)更談不上更換刀具，改變輸出參數(shù)就能滿足不同形狀的加工。由于與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，便于對不銹鋼板的整體排料，節(jié)約原料，也容易形成自動化加工。

1.4 清潔、安全、無污染

激光切割技術(shù)大大改善了操作人員的工作環(huán)境，由于切割過程沒有刀具與共建的摩擦接觸，因摩擦產(chǎn)生的噪音就沒有了。因此，激光切割具有噪聲低，振動小，無污染的特點(diǎn)。

1.5 缺點(diǎn)

受激光器功率和設(shè)備體積的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，隨著工件厚度的增加，切割速度、切割精度等明顯下降。激光切割設(shè)備費(fèi)用高，激光切割設(shè)備的價(jià)格約為150萬元以上，一次性投資大。

2 影響激光切割精度的因素

切割精度是衡量激光切割工藝好壞的重要組成部分，不銹鋼切割精度不僅取決于激光切割設(shè)備的精度，也取決于如下多個(gè)因素：

2.1 激光束的形狀。激光束通常為錐形，切出來的縫隙自然也是錐形，在這種情況下，厚度越小的不銹鋼的切縫就越小，工件厚度越大，精度也就會越低，因此切縫越大。

2.2 光斑大小。錐形的激光光束聚集后光斑會越變越小，切縫就會越來越窄，該激光切割的精度也變得越來越高。最小的光斑可以達(dá)到0.01mm。光斑大小嚴(yán)重影響著激光切割精度。

2.3 材料成分不同。切割的精度會因材料的成分不同存在差異，同一材質(zhì)，局部使用材料會有所不同。激光切割精度在一定程度上也受工件材質(zhì)的影響。

2.4 工作臺。無論是簡單的工作臺，還是高精度的工作臺，會導(dǎo)致高精度的激光切割效果。在數(shù)控機(jī)床中，工作臺是可以移動的，工作臺移動軌跡的精度，工作臺的平整度等也會對切割精度有影響。

3 切割常見工藝及問題分析

3.1 熔化切割穿孔技術(shù)

輸入的激光束功率密度大，能量高，光束照射點(diǎn)處材料內(nèi)部開始蒸發(fā)，形成孔洞，小孔被熔化金屬包圍，與光束同軸的輔助氣流把孔洞周圍的熔融材料帶走。工件移動，小孔按切割方向同步橫移形成一條切縫完成切割。

對于熱切割技術(shù)，一般都必須采用沖頭在板上穿一個(gè)小孔然后再用激光從小孔處開始進(jìn)行切割的方法，只有少數(shù)加工工件在加工時(shí)可以從板邊緣開始。對于沒有沖壓裝置的激光切割機(jī)有兩種穿孔的基本方法：爆破穿孔：材料經(jīng)連續(xù)激光的照射后在中心形成一個(gè)凹坑，與激光束同軸的氧流很快將熔融材料去除形成一個(gè)孔?？椎拇笮∨c板厚有關(guān)，對較厚的板爆破穿孔孔徑較大，且不圓，不宜在加工精度要求較高的零件上使用，只能用于廢料上。此外由于穿孔所用的氧氣壓力與切割時(shí)相同，飛濺較大。脈沖穿孔：采用高峰值功率的脈沖激光使少量材料熔化或汽化，常用空氣或氮?dú)庾鳛檩o助氣體。穿孔直徑較小，其穿孔質(zhì)量優(yōu)于爆破穿孔。所使用的激光器具有較高的輸出功率，須要有較可靠的氣路控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)氣體種類、氣體壓力的切換及穿孔時(shí)間的控制。在采用脈沖穿孔的情況下，為了獲得高質(zhì)量的切口，過渡技術(shù)應(yīng)加以重視，在工業(yè)生產(chǎn)中主要采用同時(shí)改變脈沖寬度和脈沖頻率的辦法，取得良好的效果。

3.2 氧化熔化切割

材料在激光束的照射下在氧氣中被點(diǎn)燃，與氧氣發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)，這種反應(yīng)是放熱的反應(yīng)，進(jìn)一步釋放熱量，在熱量作用下，不銹鋼上形成小孔，小孔被熔融的金屬包圍，不銹鋼內(nèi)部是充滿蒸汽的小孔，氧氣的氧氣流吹走熔渣，氧氣流速越高，燃燒化學(xué)反應(yīng)越劇烈，去除熔渣的速度也越快，但是氧氣流速也應(yīng)控制，不宜過快，若切縫口快速冷卻對切割質(zhì)量不利。當(dāng)然，氧氣流速不是越高越好，因?yàn)榱魉龠^快會導(dǎo)致切縫出口處反應(yīng)產(chǎn)物即金屬氧化物的快速冷卻，這對切割質(zhì)量也是不利的。氧化熔化切割過程激光照射產(chǎn)熱，氧化反應(yīng)也產(chǎn)熱，因此使用氧作輔助氣體可獲得較高的切割速度。

3.3 切割加工小孔（直徑小與板厚）變形情況的分析

解決切割加工小孔徑變形常用的處理方式是根據(jù)激光切割機(jī)的功率大小選擇不同的切割方法。對于大功率激光切割機(jī)，在加工程序中應(yīng)將脈沖穿孔的軟穿刺方式改為爆破穿孔的普通穿刺方式，即采用爆破穿孔方式保證空洞表面光潔、無毛刺、變形小。對于較小功率的激光切割機(jī)在小孔加工為保證表面光潔度，應(yīng)采取脈沖穿孔的方式。

4 結(jié)語

激光切割技術(shù)切割不銹鋼，可以大大降低加工成本，雖然激光設(shè)備一次性投資大，但是后續(xù)工藝成本被降低，綜合來說，采用激光切割還是可取的。激光切割不銹鋼工藝可以用到多種產(chǎn)品的加工，如切割不同圖案的工藝品，不銹鋼字，汽車制造等領(lǐng)域，加工時(shí)間減少，工件質(zhì)量較高。

參考文獻(xiàn)

[1]李大生，陳文，田新紅.不銹鋼板的CO2激光切割工藝研究[J].機(jī)械工程師.2011年第4期

[2]激光切割的工藝過程及其參數(shù)分析.中國機(jī)床商務(wù)網(wǎng).2009年02月.

作者簡介：王雷（1984-），男，2008年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)，2008年參加工作，現(xiàn)任職于哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司沖剪分廠，從事工藝工作，助理主任工程師。