激光切割薄不銹鋼板材工藝研究*

徐智博，陳 磊，賈 耕，方 浩，欒昕儒

（1.沈陽航空航天大學(xué) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院，遼寧 沈陽110136；2.沈陽航空航天大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，遼寧 沈陽110136）

切割技術(shù)是機(jī)械加工領(lǐng)域較為常見的工序，目前常見的切割方法主要有利用光能的激光切割，利用化學(xué)能的氧-火焰切割，利用電能的等離子弧切割，利用動(dòng)能的水射流切割等。激光切割是一種非接觸式加工方式，其優(yōu)點(diǎn)主要有速度快、熱影響區(qū)小、精度高和適用范圍廣等[1-2]。

光纖激光器經(jīng)過了長(zhǎng)足的發(fā)展，利用其中的高功率光纖切割各種材料，特別是在切割金屬材料方面的應(yīng)用得到的關(guān)注越來越廣泛。光纖激光切割既能保證切割質(zhì)量，其切割效率也高于傳統(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[3-4]。激光切割零件的質(zhì)量在很大程度上受激光器參數(shù)（切割速度、激光功率、焦距、激光頻率等）和材料本身熱學(xué)、力學(xué)特性的影響。因此，研究激光器工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響規(guī)律，總結(jié)出一組有效的激光切割工藝參數(shù)，可以有效縮減篩選工藝參數(shù)所花費(fèi)的時(shí)間和材料，為不同的設(shè)備和材料提供工藝指導(dǎo)[5]。本文中的實(shí)驗(yàn)采用控制變量法[6]，研究了輔助氣體氣壓、激光焦點(diǎn)位置、切割速度對(duì)薄不銹鋼板切割質(zhì)量的影響，以期在實(shí)際生產(chǎn)或?qū)嵱?xùn)教學(xué)過程起到指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用中科激光ZK-G-500光纖激光切割機(jī)，如圖1所示，最大輸出功率為500W。搭配IPG光纖激光器，CNC采用柏楚控制系統(tǒng)，其他輔助設(shè)備包括大小冷水機(jī)組、冷風(fēng)系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)等。

圖1 實(shí)驗(yàn)用激光切割機(jī)

試驗(yàn)材料為厚度0.8mm的201不銹鋼板，化學(xué)成分如表1所示。切割前用丙酮對(duì)不銹鋼表面進(jìn)行去油污處理。使用中科激光ZK-G-500光纖激光切割機(jī)對(duì)不銹鋼板進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)。在確定單因素變化的前提下，設(shè)置5組不同參數(shù)在一定尺寸規(guī)格的不銹鋼板上切割出長(zhǎng)度約100mm的切縫，對(duì)切口形貌、切縫寬度、切面掛渣情況等進(jìn)行分析。

表1 201不銹鋼板主要成分

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 切割氣體壓力對(duì)切割質(zhì)量的影響

激光切割時(shí)，根據(jù)切割板材的材質(zhì)不同，來選擇不同的切割氣體，氮?dú)庵饕脕砬懈畈讳P鋼。切割氣體及其壓力的選擇，對(duì)激光切割品質(zhì)有很大的影響。切割氣體的作用主要有：助燃及散熱、及時(shí)吹掉切割產(chǎn)生的熔漬，防止熔漬向上反彈進(jìn)入噴嘴，保護(hù)聚焦透鏡等。

實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，切割速度設(shè)置為8m/min，激光聚集的焦點(diǎn)位置為-0.5mm，氣壓0.5MPa-1.7MPa范圍內(nèi)變化進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。得出不同氣壓條件下切縫宏觀形貌如圖2所示。

如圖2所示，當(dāng)氣體壓力在0.5MPa-1.7MPa之間變化時(shí)，正面切縫寬度均較窄且無明顯變化，而背面切縫的切割質(zhì)量則有著明顯不同。當(dāng)氣體壓力為0.5MPa，切割時(shí)容易產(chǎn)生熔漬，此時(shí)切割氣體的壓力不足，氮?dú)饬髁窟^低，不足以很快清除熔融金屬，造成熔融金屬在切口表面的粘附。隨著氮?dú)饬髁康脑龃螅牧汐@得的能量增加，材料表面溫度升高，其熱擴(kuò)散率也隨之增大，導(dǎo)致熱影響區(qū)變寬，使更多切縫處的金屬熔化，切縫寬度隨之增大。并且隨著氮?dú)饬髁康脑龃?，能夠很快清除熔融金屬，切口質(zhì)量逐漸提高，可獲得具有較好切口質(zhì)量的切縫[7]。另外，在切割不銹鋼時(shí)，氣體壓力一般不隨材料的厚度改變，但是切割氣體壓力始終保持在高壓力狀態(tài)，有利于形成質(zhì)量較好的切縫。

圖2 不同氣壓條件下切縫宏觀形貌

2.2 焦點(diǎn)位置對(duì)切割質(zhì)量的影響

激光切割過程中，光束焦點(diǎn)與切割板材表面的相對(duì)位置對(duì)切割的質(zhì)量影響很大，正確調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置非常重要。一般可以通過改變焦點(diǎn)試切，或者通過在有機(jī)玻璃上打點(diǎn)的方法來直接獲得最佳焦點(diǎn)位置。通常情況下，激光切割焦點(diǎn)處于不同的位置，對(duì)板材打孔和切割斷面及在切割不同材質(zhì)和不同厚度的板材時(shí)造成的影響均有所不同，焦點(diǎn)位置的不同與材質(zhì)的關(guān)系一般遵循表2。

表2 焦點(diǎn)與切割材料的關(guān)系

切割速度設(shè)置為8m/min，氣壓選擇1.7MPa，激光聚集的焦點(diǎn)位置在+0.5mm至-2mm范圍內(nèi)變化進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。得出不同焦點(diǎn)位置條件下切縫宏觀形貌如圖3所示。

如圖3所示，當(dāng)焦點(diǎn)位置在+0.5mm至-2mm范圍內(nèi)變化時(shí)，正面切縫質(zhì)量與背面切縫的切割質(zhì)量均有著明顯不同。當(dāng)焦點(diǎn)位置在+0.5mm和0mm時(shí)，板材的正面切縫寬度較窄，而背面切縫的寬度與正面的切縫寬度相比則較寬，此時(shí)切割斷面的傾斜角度較大。當(dāng)焦點(diǎn)位置在-0.5mm和-1mm時(shí)，板材的正面切縫寬度與背面切縫的寬度相差不多，但相比較，焦點(diǎn)位置為-1mm切割質(zhì)量更好。當(dāng)焦點(diǎn)位置在-2mm時(shí)，可以看出板材的正面切縫處有著明顯的飛濺現(xiàn)象，而且背面切縫并沒有切透。所以當(dāng)離焦量為-1mm時(shí)，切斷口正、背面寬度差別最小，為切割薄不銹鋼板的最佳焦點(diǎn)位置。

圖3 不同焦點(diǎn)位置的切縫宏觀形貌

2.3 切割速度對(duì)切割質(zhì)量的影響

激光切割時(shí)，切割的速度選擇是根據(jù)切割板材的材質(zhì)、板材的厚度來決定的。不同的切割速度，對(duì)激光切割的品質(zhì)會(huì)造成很大的影響。選擇適當(dāng)?shù)那懈钏俣?，既能提高激光切割的效率，又能得到良好的切割質(zhì)量。一般在切割薄板的過程中，切割速度往往設(shè)置得較大，這是因?yàn)榍懈钸M(jìn)給速度太慢會(huì)造成切割板材過熔，切割斷面比較粗糙；同時(shí)切縫也會(huì)相應(yīng)變寬，在較小圓角或者尖角部位造成整個(gè)區(qū)域熔化，得不到理想的切割效果，造成切割效率低，影響生產(chǎn)力。通常情況下，在切割厚度在1mm左右的薄板時(shí)，切割速度會(huì)設(shè)置在8m/min左右。如圖4所示，當(dāng)切割速度設(shè)置在5m/min-9m/min時(shí)，板材的正面切縫和背面切縫均未產(chǎn)生太大的變化，寬度基本一致，而且切割質(zhì)量良好，未產(chǎn)生熔渣現(xiàn)象，說明在此范圍內(nèi)變化切割速度不會(huì)對(duì)板材的切割質(zhì)量產(chǎn)生太大影響。

3 結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)0.8mm厚的不銹鋼板材進(jìn)行激光切割工藝實(shí)驗(yàn)。分析關(guān)于輔助氣體氣壓、激光焦點(diǎn)位置和切割速度對(duì)切割質(zhì)量的影響，通過對(duì)切割板材的正、反兩面切縫寬度、掛渣現(xiàn)象等做對(duì)比，得出一組較為合適的切割工藝參數(shù)：氣體壓力1.7MPa，激光聚集的焦點(diǎn)位置為-1mm，切割速度為8m/min時(shí)切割薄不銹鋼板的切割質(zhì)量最好。其中切割氣體壓力需始終保持在高壓力狀態(tài)，有利于形成質(zhì)量較好的切縫；切割不銹鋼板材時(shí)，激光焦點(diǎn)應(yīng)在切割工件下面，即負(fù)焦距；切割速度在8m/min上下波動(dòng)，并且波動(dòng)幅度不大時(shí)，切割速度不會(huì)對(duì)板材的切割質(zhì)量產(chǎn)生太大影響。

圖4 不同切割速度的切縫宏觀形貌