激光切割加工不銹鋼研究

張華

摘 要：文章介紹了激光切割加工的特點，結合激光切割不銹鋼的實例，為激光加工金屬零件提供了試驗方法。

關鍵詞：激光切割；重熔層；異形孔；不銹鋼

前言

激光切割技術是采用激光束集中照射到材料表面，利用釋放的能量使材料熔化并蒸發的一項技術。由于激光切割能量非常集中，只有少量的能量傳遞到金屬其他部分，所以這種加工方式產生的變形很小。

激光切割在民用產品中有著廣泛的應用，如原材料下料、金屬及非金屬零件加工、裝飾、廣告和服務行業等。在航空業中，某些具有異性孔或其他形狀特征的復雜零件，采用傳統銑削工藝難以加工，激光切割利用其優勢，能很好地解決這種問題。但由于激光加工容易在被加工零件加工區域形成裂紋和重熔層，因此，對激光加工技術的應用抱有謹慎態度。文章重點對激光加工不銹鋼零件進行了研究。

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，在超過激光閥值的激光功率密度前提下，激光束的能量以及活性氣體輔助切割過程所附加的化學反應熱能全部被材料吸收，由此引起激光作用點的溫度急劇上升，達到沸點后材料開始氣化，并形成孔洞，隨著光束與工件的相對運動，最終使材料形成切縫，切縫處的熔渣，被輔助氣體吹除。金屬對激光有很好的吸收性，因此，可以對幾乎所有的金屬進行激光加工。

根據激光切割原理，激光切割有以下特點：激光切割技術加工零件不需與零件接觸，切縫窄，切口位置度好，加工精度高；切削速度高，自動化程度高。

2 激光切割機參數分析

試驗使用的設備是Lasertec80FC，其中影響重熔層的關鍵參數有：電壓、頻率、脈沖、進給速度和噴嘴距離，其中電壓和頻率對結果的影響比較大。使用此設備需對一些參數進行設置。

激光電壓：決定激光束的功率的原因之一，電壓越大，功率越大。

激光頻率：每秒激光脈沖的個數，決定激光束的功率原因之一。

進給速度：激光束在當前點的持續切割時間與切割頭在材料平面上的移動速度成反比。速度越高，持續時間越短，反之亦然。切割速度的選擇要和材料材質和厚度相關，高于一定的速度，材料將不被切透，低于一定的速度，材料熔化過多會造成重熔層過厚、氧化層過厚等多種缺陷產生。

噴嘴高度：激光束通過透鏡在噴嘴下方聚集，功率密度和照射在材料上的光斑面積成反比。焦點處功率密度最大，因此，切割頭距切割表面的高度不僅影響平面聚焦面積，同時影響在當前的能量密度。

3 激光切割設備調試及試驗

3.1 激光切割設備參數調試

電壓和頻率是影響影響功率的主要隱私，在使用設備加工前，需要對激光切割設備的性能參數有大致了解。因此，激光切割前，調試上述參數，對功率值進行了檢查。圖1是在Lasertec80FC上的性能試驗參數圖表，描述了電壓和頻率與功率之間的相互關系。

圖1 Lasertec80FC電壓和頻率與功率之間的相互關系示意圖

從圖1的數據中可以看出，當電壓增大時功率和能量均增大，但并非嚴格的正比關系。在實際加工中，功率不足時，需要調節電壓和功率以及其他參數提高功率，不可單一的調節某項參數來提高。參數調整的順序是首先選擇合適的脈寬和電壓，輸入一個較低的頻率值，然后進行試切。按照不同的要求，逐步增加頻率值，是功率提高，如不能達到要求，重新選擇脈寬和電壓。

3.2 激光切割試驗要求

文章對厚度為1mm和3mm不銹鋼材料1Cr17Ni3的零件進行了激光切割。根據激光切割的原理，激光在零件的入口端會有較大的重熔層，在出口端的重熔層厚度較小。圖2是激光切割重熔層的示意圖。根據經驗，制定了激光切割對重熔層的要求，如表1所示。

表1 激光切割對重熔層要求（單位：mm）

圖2 激光切割重熔層示意圖

3.3 激光切割試驗步驟

首先編制工藝路線，工藝路線基本為：試片下料，激光切割，金相檢驗。然后對設備進行調試，對試片進行試切，確定切割的最低功率。按照設備各參數的相互聯系，選擇幾項不同的參數組合。金相試驗是垂直于切割方向剖切加工的試片，露出試片激光切割的部分，制作鑲樣試樣，并精密磨削鑲樣試樣表面，提高鑲樣試樣表面光潔度，對鑲樣試樣表面進行酸液腐蝕，使得重熔層部分和基體材料部分的顏色不同，這樣在顯微鏡下觀察，重熔層部分和基體材料部分有明顯的一條界線，在讀數顯微鏡下可以直接得到重熔層厚度值。

3.4 參數確定

通過若干輪的工藝試驗，并結合金相分析，得出了較為理想的機床參數，并且重熔層仍在合格范圍內。

最終確定的試驗參數如表2。

表2

4 結束語

激光切割在航空加工中屬于特種加工工藝技術，其加工參數影響表面完整性和零件壽命。文章通過對激光切割機床參數進行調試，得出了激光切割設備各參數相互關系，為激光切割試驗的參數調整提供了參考依據。通過編制工藝路線，確定了激光切割試驗的基本步驟。在激光切割試驗中，通過選擇不同參數進行試驗，得出了不同參數下重熔層的厚度，并最終確定了激光切割加工參數。激光切割試驗中需對零件進行理化分析重熔層厚度。文章使用激光切割機進行若干工藝試驗，調試出加工效率較高的加工參數。

參考文獻

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