激光切割不銹鋼工藝淺析

摘 要：激光切割不銹鋼技術就是利用激光束照射到鋼板表面上很小的區域范圍，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，從而實現對不銹鋼的切割。激光切割技術切割速度快、質量好等優點，廣泛應用于各個材料領域。

關鍵詞：激光切割；不銹鋼板；工藝

1 激光切割不銹鋼工藝特點

激光切割不銹鋼技術具有很多優點。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，也可以加氮氣。其中，加氧氣切割，會在切割面形成氧化膜；加氮氣切割邊緣沒有氧化膜和毛刺，不需要作進一步處理。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域范圍，聚焦焦點升溫快，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，但是熱量傳導的部分遠遠小于激光束輸入的熱量。不銹鋼材料迅速加熱汽化，進而蒸發形成空洞，激光束移動，使孔洞連續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行切割，切割最大厚度為20mm。氧作為輔助汽體與熔融金屬發生化學反應，該化學反應放熱，產生氧化材料，同時化學反應產生的氣流能幫助吹走割縫內的熔渣，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，而且目前由微機程序控制，現代激光切割系統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，不僅節省了加工費用、降低了生產成本，而且節約了更換模具的時間。

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，可實現狹窄的直邊割縫，熱影響區寬度很小，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。激光切割與被加工工件無接觸，工件無機械變形，因為沒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更談不上更換刀具，改變輸出參數就能滿足不同形狀的加工。由于與計算機相結合，便于對不銹鋼板的整體排料，節約原料，也容易形成自動化加工。

1.4 清潔、安全、無污染

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

1.5 缺點

受激光器功率和設備體積的限制，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。激光切割設備費用高，激光切割設備的價格約為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備的精度，也取決于如下多個因素：

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。最小的光斑可以達到0.01mm。光斑大小嚴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，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，會導致高精度的激光切割效果。在數控機床中，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

輸入的激光束功率密度大，能量高，光束照射點處材料內部開始蒸發，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，一般都必須采用沖頭在板上穿一個小孔然后再用激光從小孔處開始進行切割的方法，只有少數加工工件在加工時可以從板邊緣開始。對于沒有沖壓裝置的激光切割機有兩種穿孔的基本方法：爆破穿孔：材料經連續激光的照射后在中心形成一個凹坑，與激光束同軸的氧流很快將熔融材料去除形成一個孔。孔的大小與板厚有關，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，常用空氣或氮氣作為輔助氣體。穿孔直徑較小，其穿孔質量優于爆破穿孔。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，以實現氣體種類、氣體壓力的切換及穿孔時間的控制。在采用脈沖穿孔的情況下，為了獲得高質量的切口，過渡技術應加以重視，在工業生產中主要采用同時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燃，與氧氣發生激烈的化學反應，這種反應是放熱的反應，進一步釋放熱量，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，燃燒化學反應越劇烈，去除熔渣的速度也越快，但是氧氣流速也應控制，不宜過快，若切縫口快速冷卻對切割質量不利。當然，氧氣流速不是越高越好，因為流速過快會導致切縫出口處反應產物即金屬氧化物的快速冷卻，這對切割質量也是不利的。氧化熔化切割過程激光照射產熱，氧化反應也產熱，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激光切割機的功率大小選擇不同的切割方法。對于大功率激光切割機，在加工程序中應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在小孔加工為保證表面光潔度，應采取脈沖穿孔的方式。

4 結語

激光切割技術切割不銹鋼，可以大大降低加工成本，雖然激光設備一次性投資大，但是后續工藝成本被降低，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，汽車制造等領域，加工時間減少，工件質量較高。

參考文獻

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

[2]激光切割的工藝過程及其參數分析.中國機床商務網.2009年02月.

作者簡介：王雷（1984-），男，2008年畢業于哈爾濱理工大學機械設計制造及自動化專業，2008年參加工作，現任職于哈爾濱電機廠有限責任公司沖剪分廠，從事工藝工作，助理主任工程師。