激光切割薄不锈钢板材工艺研究*

徐智博，陈 磊，贾 耕，方 浩，栾昕儒

（1.沈阳航空航天大学 航空发动机学院，辽宁 沈阳110136；2.沈阳航空航天大学 工程训练中心，辽宁 沈阳110136）

切割技术是机械加工领域较为常见的工序，目前常见的切割方法主要有利用光能的激光切割，利用化学能的氧-火焰切割，利用电能的等离子弧切割，利用动能的水射流切割等。激光切割是一种非接触式加工方式，其优点主要有速度快、热影响区小、精度高和适用范围广等[1-2]。

光纤激光器经过了长足的发展，利用其中的高功率光纤切割各种材料，特别是在切割金属材料方面的应用得到的关注越来越广泛。光纤激光切割既能保证切割质量，其切割效率也高于传统切割工艺，且对被加工材料金属或非金属均能实现高效切割[3-4]。激光切割零件的质量在很大程度上受激光器参数（切割速度、激光功率、焦距、激光频率等）和材料本身热学、力学特性的影响。因此，研究激光器工艺参数对加工质量的影响规律，总结出一组有效的激光切割工艺参数，可以有效缩减筛选工艺参数所花费的时间和材料，为不同的设备和材料提供工艺指导[5]。本文中的实验采用控制变量法[6]，研究了辅助气体气压、激光焦点位置、切割速度对薄不锈钢板切割质量的影响，以期在实际生产或实训教学过程起到指导作用。

1 实验设备与材料

实验设备使用中科激光ZK-G-500光纤激光切割机，如图1所示，最大输出功率为500W。搭配IPG光纤激光器，CNC采用柏楚控制系统，其他辅助设备包括大小冷水机组、冷风系统、排风系统等。

图1 实验用激光切割机

试验材料为厚度0.8mm的201不锈钢板，化学成分如表1所示。切割前用丙酮对不锈钢表面进行去油污处理。使用中科激光ZK-G-500光纤激光切割机对不锈钢板进行切割实验。在确定单因素变化的前提下，设置5组不同参数在一定尺寸规格的不锈钢板上切割出长度约100mm的切缝，对切口形貌、切缝宽度、切面挂渣情况等进行分析。

表1 201不锈钢板主要成分

2 实验结果与分析

2.1 切割气体压力对切割质量的影响

激光切割时，根据切割板材的材质不同，来选择不同的切割气体，氮气主要用来切割不锈钢。切割气体及其压力的选择，对激光切割品质有很大的影响。切割气体的作用主要有：助燃及散热、及时吹掉切割产生的熔渍，防止熔渍向上反弹进入喷嘴，保护聚焦透镜等。

实验采用控制变量法，切割速度设置为8m/min，激光聚集的焦点位置为-0.5mm，气压0.5MPa-1.7MPa范围内变化进行对比实验。得出不同气压条件下切缝宏观形貌如图2所示。

如图2所示，当气体压力在0.5MPa-1.7MPa之间变化时，正面切缝宽度均较窄且无明显变化，而背面切缝的切割质量则有着明显不同。当气体压力为0.5MPa，切割时容易产生熔渍，此时切割气体的压力不足，氮气流量过低，不足以很快清除熔融金属，造成熔融金属在切口表面的粘附。随着氮气流量的增大，材料获得的能量增加，材料表面温度升高，其热扩散率也随之增大，导致热影响区变宽，使更多切缝处的金属熔化，切缝宽度随之增大。并且随着氮气流量的增大，能够很快清除熔融金属，切口质量逐渐提高，可获得具有较好切口质量的切缝[7]。另外，在切割不锈钢时，气体压力一般不随材料的厚度改变，但是切割气体压力始终保持在高压力状态，有利于形成质量较好的切缝。

图2 不同气压条件下切缝宏观形貌

2.2 焦点位置对切割质量的影响

激光切割过程中，光束焦点与切割板材表面的相对位置对切割的质量影响很大，正确调节焦点位置非常重要。一般可以通过改变焦点试切，或者通过在有机玻璃上打点的方法来直接获得最佳焦点位置。通常情况下，激光切割焦点处于不同的位置，对板材打孔和切割断面及在切割不同材质和不同厚度的板材时造成的影响均有所不同，焦点位置的不同与材质的关系一般遵循表2。

表2 焦点与切割材料的关系

切割速度设置为8m/min，气压选择1.7MPa，激光聚集的焦点位置在+0.5mm至-2mm范围内变化进行对比实验。得出不同焦点位置条件下切缝宏观形貌如图3所示。

如图3所示，当焦点位置在+0.5mm至-2mm范围内变化时，正面切缝质量与背面切缝的切割质量均有着明显不同。当焦点位置在+0.5mm和0mm时，板材的正面切缝宽度较窄，而背面切缝的宽度与正面的切缝宽度相比则较宽，此时切割断面的倾斜角度较大。当焦点位置在-0.5mm和-1mm时，板材的正面切缝宽度与背面切缝的宽度相差不多，但相比较，焦点位置为-1mm切割质量更好。当焦点位置在-2mm时，可以看出板材的正面切缝处有着明显的飞溅现象，而且背面切缝并没有切透。所以当离焦量为-1mm时，切断口正、背面宽度差别最小，为切割薄不锈钢板的最佳焦点位置。

图3 不同焦点位置的切缝宏观形貌

2.3 切割速度对切割质量的影响

激光切割时，切割的速度选择是根据切割板材的材质、板材的厚度来决定的。不同的切割速度，对激光切割的品质会造成很大的影响。选择适当的切割速度，既能提高激光切割的效率，又能得到良好的切割质量。一般在切割薄板的过程中，切割速度往往设置得较大，这是因为切割进给速度太慢会造成切割板材过熔，切割断面比较粗糙；同时切缝也会相应变宽，在较小圆角或者尖角部位造成整个区域熔化，得不到理想的切割效果，造成切割效率低，影响生产力。通常情况下，在切割厚度在1mm左右的薄板时，切割速度会设置在8m/min左右。如图4所示，当切割速度设置在5m/min-9m/min时，板材的正面切缝和背面切缝均未产生太大的变化，宽度基本一致，而且切割质量良好，未产生熔渣现象，说明在此范围内变化切割速度不会对板材的切割质量产生太大影响。

3 结论

本次实验对0.8mm厚的不锈钢板材进行激光切割工艺实验。分析关于辅助气体气压、激光焦点位置和切割速度对切割质量的影响，通过对切割板材的正、反两面切缝宽度、挂渣现象等做对比，得出一组较为合适的切割工艺参数：气体压力1.7MPa，激光聚集的焦点位置为-1mm，切割速度为8m/min时切割薄不锈钢板的切割质量最好。其中切割气体压力需始终保持在高压力状态，有利于形成质量较好的切缝；切割不锈钢板材时，激光焦点应在切割工件下面，即负焦距；切割速度在8m/min上下波动，并且波动幅度不大时，切割速度不会对板材的切割质量产生太大影响。

图4 不同切割速度的切缝宏观形貌