激光切割加工不锈钢研究

张华

摘 要：文章介绍了激光切割加工的特点，结合激光切割不锈钢的实例，为激光加工金属零件提供了试验方法。

关键词：激光切割；重熔层；异形孔；不锈钢

前言

激光切割技术是采用激光束集中照射到材料表面，利用释放的能量使材料熔化并蒸发的一项技术。由于激光切割能量非常集中，只有少量的能量传递到金属其他部分，所以这种加工方式产生的变形很小。

激光切割在民用产品中有着广泛的应用，如原材料下料、金属及非金属零件加工、装饰、广告和服务行业等。在航空业中，某些具有异性孔或其他形状特征的复杂零件，采用传统铣削工艺难以加工，激光切割利用其优势，能很好地解决这种问题。但由于激光加工容易在被加工零件加工区域形成裂纹和重熔层，因此，对激光加工技术的应用抱有谨慎态度。文章重点对激光加工不锈钢零件进行了研究。

1 激光切割原理

激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超过激光阀值的激光功率密度前提下，激光束的能量以及活性气体辅助切割过程所附加的化学反应热能全部被材料吸收，由此引起激光作用点的温度急剧上升，达到沸点后材料开始气化，并形成孔洞，随着光束与工件的相对运动，最终使材料形成切缝，切缝处的熔渣，被辅助气体吹除。金属对激光有很好的吸收性，因此，可以对几乎所有的金属进行激光加工。

根据激光切割原理，激光切割有以下特点：激光切割技术加工零件不需与零件接触，切缝窄，切口位置度好，加工精度高；切削速度高，自动化程度高。

2 激光切割机参数分析

试验使用的设备是Lasertec80FC，其中影响重熔层的关键参数有：电压、频率、脉冲、进给速度和喷嘴距离，其中电压和频率对结果的影响比较大。使用此设备需对一些参数进行设置。

激光电压：决定激光束的功率的原因之一，电压越大，功率越大。

激光频率：每秒激光脉冲的个数，决定激光束的功率原因之一。

进给速度：激光束在当前点的持续切割时间与切割头在材料平面上的移动速度成反比。速度越高，持续时间越短，反之亦然。切割速度的选择要和材料材质和厚度相关，高于一定的速度，材料将不被切透，低于一定的速度，材料熔化过多会造成重熔层过厚、氧化层过厚等多种缺陷产生。

喷嘴高度：激光束通过透镜在喷嘴下方聚集，功率密度和照射在材料上的光斑面积成反比。焦点处功率密度最大，因此，切割头距切割表面的高度不仅影响平面聚焦面积，同时影响在当前的能量密度。

3 激光切割设备调试及试验

3.1 激光切割设备参数调试

电压和频率是影响影响功率的主要隐私，在使用设备加工前，需要对激光切割设备的性能参数有大致了解。因此，激光切割前，调试上述参数，对功率值进行了检查。图1是在Lasertec80FC上的性能试验参数图表，描述了电压和频率与功率之间的相互关系。

图1 Lasertec80FC电压和频率与功率之间的相互关系示意图

从图1的数据中可以看出，当电压增大时功率和能量均增大，但并非严格的正比关系。在实际加工中，功率不足时，需要调节电压和功率以及其他参数提高功率，不可单一的调节某项参数来提高。参数调整的顺序是首先选择合适的脉宽和电压，输入一个较低的频率值，然后进行试切。按照不同的要求，逐步增加频率值，是功率提高，如不能达到要求，重新选择脉宽和电压。

3.2 激光切割试验要求

文章对厚度为1mm和3mm不锈钢材料1Cr17Ni3的零件进行了激光切割。根据激光切割的原理，激光在零件的入口端会有较大的重熔层，在出口端的重熔层厚度较小。图2是激光切割重熔层的示意图。根据经验，制定了激光切割对重熔层的要求，如表1所示。

表1 激光切割对重熔层要求（单位：mm）

图2 激光切割重熔层示意图

3.3 激光切割试验步骤

首先编制工艺路线，工艺路线基本为：试片下料，激光切割，金相检验。然后对设备进行调试，对试片进行试切，确定切割的最低功率。按照设备各参数的相互联系，选择几项不同的参数组合。金相试验是垂直于切割方向剖切加工的试片，露出试片激光切割的部分，制作镶样试样，并精密磨削镶样试样表面，提高镶样试样表面光洁度，对镶样试样表面进行酸液腐蚀，使得重熔层部分和基体材料部分的颜色不同，这样在显微镜下观察，重熔层部分和基体材料部分有明显的一条界线，在读数显微镜下可以直接得到重熔层厚度值。

3.4 参数确定

通过若干轮的工艺试验，并结合金相分析，得出了较为理想的机床参数，并且重熔层仍在合格范围内。

最终确定的试验参数如表2。

表2

4 结束语

激光切割在航空加工中属于特种加工工艺技术，其加工参数影响表面完整性和零件寿命。文章通过对激光切割机床参数进行调试，得出了激光切割设备各参数相互关系，为激光切割试验的参数调整提供了参考依据。通过编制工艺路线，确定了激光切割试验的基本步骤。在激光切割试验中，通过选择不同参数进行试验，得出了不同参数下重熔层的厚度，并最终确定了激光切割加工参数。激光切割试验中需对零件进行理化分析重熔层厚度。文章使用激光切割机进行若干工艺试验，调试出加工效率较高的加工参数。

参考文献

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