冷轧产线硅钢激光高速切边实验研究

辛立军，王智勇

（北京工业大学激光工程研究院，北京100124）

硅钢是制造变压器、继电器等机电和电子产品的重要材料，具有良好的磁性能和较高的硅含量，是电力、电子和军事工业不可缺少的重要材料。精整工序是保证冷轧产品质量的关键环节之一，即利用圆盘剪沿着冷轧硅钢片的轧制方向，把一定宽度的硅钢片板料，按所需宽度剪切成各种条料，以供横剪之用。由于工具直接压在加工物上，存在切口边缘有微裂纹和应力的问题，还有毛刺和边浪等缺陷；此外，由于工作时刃口部分承受冲击力、剪切力和弯曲力，还受到硅钢板的挤压和摩擦，极易造成刃口磨损、裂纹或崩刃，从而导致失效。

本文针对现有冷轧硅钢产线圆盘剪切边存在的切边质量差、刀具磨损严重等一系列问题，对不同激光加工参数下的激光高速切边进行了理论及实验研究。

1 实验材料与设备

实验选用板厚0.3 mm的冷轧硅钢作为试样材料，其化学成分见表1。

激光切割实验设备采用YLS-6000和YLS-3000-SM高功率光纤激光器，YLS-6000采用的光纤芯径为150 μm，切割头型号为Precitec AK HP SSL，准直镜焦距100 mm，聚焦镜焦距125 mm，喷嘴孔径1 mm。

表1 硅钢的化学成分

2 实验结果与分析

2.1 激光功率影响

图1是切割速度随激光功率的变化曲线。随着激光功率的增加，切割速度随之增加。若保持切割速度不变，切割功率对切割质量的影响呈倒抛物线变化趋势。即激光功率较小时，切缝不易切透，熔渣停留在切缝中，造成切割质量较差；随着激光功率的增加，切缝变宽，切割质量提高；但随着激光功率的继续增加，切缝变得更宽，影响区增加，切缝处过烧，从而使切割质量降低。

图1 切割速度随激光功率的变化曲线

这是因为能量与激光功率呈正比，激光功率密度随着激光功率的增大而增大，在单位时间内将有更多的激光束能辐照到材料表面，激光束对材料表面的辐照加热作用强，熔化或气化的材料就越多，相同厚度材料的相应切割速度也得到提高。但功率过高，易造成切缝宽度增加，影响区严重。

2.2 激光模式影响

激光模式描述了激光束横截面的能量密度分布模式。光束模式越低，聚焦后的光斑直径越小，功率密度和能量密度越大。因此，基模激光器的能量密度较多模激光器高，所以其切割速度高于多模激光器。但对于厚板，由于要有一定的切缝宽度才能将熔融金属从切缝中吹除，因此，过细的光斑反而使切割速度降低，所以要根据不同的工况来选择激光器的模式。

2.3 聚焦透镜和聚焦位置影响

激光切割的优点之一是光束的能量密度高，一般大于107W/cm2。由于能量密度与光斑大小成正比，所以焦点光斑直径需尽可能小，以便产生窄的切缝。同时，焦点光斑直径还和透镜的焦深成正比，聚焦透镜焦深越小，焦点光斑直径就越小，对于输出功率一定的激光器能达到较高的能量密度，这样就提高了切割速度，得到了较窄的切缝，切割表面也更平滑。但由于焦深减少地很快，这将直接导致切缝垂直度降低，且在切割边界的上下表面粗糙度不一致，当切割有飞溅时，透镜离工件太近易使透镜损坏，所以短焦距透镜一般只适用于薄板的切割。对于厚板切割，采用长焦距透镜能使切割产生的切缝垂直度较高，切割边界的上下表面粗糙度也较接近。对于高质量的切割，有效焦深还和透镜直径及被切材料有关。

本文以焦点在试板上方为正离焦。实验中，薄板切割时的离焦量为0，即在焦点位置进行切割。激光功率为6 kW，切割速度为140 m/min时，改变焦点位置得到的切割断面结果见图2。

图2 不同焦点位置得到的切割断面

从图2可看出，离焦量为0时，切割断面光滑、无挂渣。随着离焦量的增加，切割质量下降，挂渣增多，切缝宽度增加，切割深度变浅；当离焦量过大时，甚至出现切不透现象。这是由于离焦量变大，光斑尺寸增加，功率密度变小，使得出现切不透现象。此外，离焦量对切割速度也有影响，相同功率下，随着离焦量的增加，切割速度下降。这是由于离焦量变大，功率密度变小，加工时获得足够切割能量的时间增长，故切割速度变慢。

2.4 切割速度影响

切割速度是影响切割质量最重要的因素之一，它直接影响切口宽度和切口表面粗糙度。在激光功率一定的条件下，不同切割速度对切割质量的影响及工件背面粘附的熔渣不一样。实验表明，在能切透的前提下，切割速度越快，切割质量越好，其切缝整齐，熔渣少，变形小；切割速度慢，则工件光照时间长、温度高，热影响区大，因而切缝粗糙，熔渣多。但切割速度过快，切割处的金属还来不及吹除就已经冷却，易形成割不透和挂渣；切割速度过慢，则熔池扩大，割缝表面粗糙度值变大。因此，对于不同材料、不同板厚、不同的切割气体压力，切割速度有一个最佳值，这个最佳值约为最大切割速度的80%。

3 高速切割时切割前沿的变化研究

高速切割时，切割前沿的形状变得平坦；低速切割时，切割前沿基本与切割方向垂直，熔融金属极易从切缝中吹除。随着切割速度的增加，熔融金属已不能从切缝中很快地吹除，因此会造成切割前沿的下部出现水平方向的滞后。在此速度下，切割前沿近似为倾斜的直线。如切割速度继续增加，切割前沿的形状变得更加平坦。这个形状的改变引起切割前沿下部熔融金属也随之变化，熔融金属紊乱，粗糙度值增加（图3）。

此外，高速切割时，切割前沿熔化层厚度增加。激光切割中，速度的改变对切缝宽度的影响很小，所以切割前沿处的质量流速与切割速度近似为比例关系。例如，切割速度变为2倍，质量流速也接近为原有流速的2倍。有两种理论：一是垂直方向上具有更高的熔化速度；二是更大的流动界面。高温下熔体粘性会降低，垂直流速有微小的增长。但入射角度的增加和切割前沿的变陡会使这个影响变得极其微小，可忽略不计。因此，使流速增加的主要原因是横截面的增加，这也导致切割前沿处熔化层厚度的增加，从而导致熔体紊乱，粗糙度增加。

图4是不同切割速度下的切割断面。可看出，随着切割速度的增加，熔融金属的流动方向发生了改变，验证了切割前沿随着切割速度增加而变平缓的理论。当速度增加到足够大时（图4d），切割前沿基本与切割方向平行，此时，熔融金属从切缝中吹除变得十分困难，切缝底部存在挂渣现象。

图3 切割前沿形状

4 结论

（1）切割最高速度随着功率的增加而增加；随着离焦量的增加，切割质量下降，挂渣增多，切缝宽度增加，切割深度变浅。

（2）基模激光器能量密度更高，因此在薄板切割时，切割速度高于多模激光器。但对于厚板，由于要有一定的切缝宽度才能将熔融金属从切缝中吹除，过细的光斑反而使切割速度降低，因此，要根据不同的工况来选择激光器的模式。

图4 不同切割速度下的切割断面

（3）切割前沿随着切割速度的增加会变得平坦，速度足够大时，切割前沿甚至接近与切割方向平行，此时切缝下部存在挂渣现象。