激光低速切割對熱影響區寬度和表面粗糙度的影響

王調品

（成都工業職業技術學院機電工程系，四川 成都 610218）

激光低速切割對熱影響區寬度和表面粗糙度的影響

王調品

（成都工業職業技術學院機電工程系，四川 成都 610218）

設計AISI 316L不銹鋼激光低速切割實驗，研究在較低切割速度條件下，切割表面熱影響區寬度和表面粗糙度的變化規律，提出適用于生產制造的激光切割工藝參數。研究發現：切割速度對表面粗糙度、熱影響區寬度和表面宏觀缺陷有顯著影響；隨著切割速度的降低，熱影響區寬度隨之增加；如果對切割表面的表面質量要求不高，且不再對切割表面進行再加工，建議采用最大切割速度；如果對表面質量要求高于對熱影響區寬度的要求，則建議采用低于最大切割速度的切割速度。

激光低速切割；熱影響區；表面粗糙度；工藝參數

0 前言

激光切割技術廣泛應用于工業領域，它和磨料水射流技術被譽為發展最快、影響力最大的兩大現代材料切割技術[1]。激光切割技術具有切割精度高、切縫小、激光束垂直于工件表面、刃峰鋒利、工具無磨損及對熱影響區影響較小等優點[2]。激光切割可用于切割不同的材料，如鎳合金、鋁合金和立方氮化硼等[3]。采用激光切割通常能獲得較好的表面質量，主要由加工工藝參數決定，如材料類型、材料厚度、激光器類型和電源、隔絕距離、切割速度、輔助氣體和壓強選擇等[4]。Thombansen等人提出帶有傳感器的激光切割設備可將工件切割表面質量提高數倍[5]；Ket等人提出可通過聲波發射檢測激光切割質量[6]；Stelzer等人采用CO2和光纖激光進行不同厚度的不銹鋼板的最大切割速度實驗[7]，指出激光切割速度是影響切割表面粗糙度和熱影響區寬度的主要因素之一；Cekic等人進行激光切割速度對比實驗，提出采用N2輔助氣體切割AISI 304不銹鋼，隨著切割速度的增大，表面粗糙度值降低、熱影響區寬度減小。以上均是對切割速度超過額定最大速度進行研究，在此研究切割速度低于最大切割速度時的切割表面質量和熱影響區寬度的變化規律。

1 激光低速切割實驗設計

1.1 工件設計及工藝參數確定

準備3個直徑50 mm、厚度10 mm圓柱體實驗樣件。實驗材料為AISI 316L不銹鋼[8]，其硬度約為79 HRB，抗拉強度558 MPa，屈服強度290 MPa，對酸和氯化物具有較高的耐腐蝕性。AISI 316L不銹鋼化學成分如表1所示。使用TRUMPTC-L6030 CO2激光切割機完成三種不同切割速度的切割實驗，選用速度如表2所示。

表1 AISI 316L不銹鋼化學成分Table 1 Chemical composition of AISI 316L steel %

表2 實驗切割速度選用Table 2 Established cutting speed values for experiments tests

其他工藝參數根據加工設備對切割材料類型和切割速度的要求進行選擇，可作為實驗常數，如表3所示。由于實驗用樣件尺寸過小，需設計一款用于定位和加緊的夾具，如圖1所示。

圖1 激光切割實驗過程及夾具設計Fig.1 Laser cutting of test samples mounted in the holder

表3 其他工藝參數Table 3 Constant process parameters

1.2 激光切割表面檢測實驗設計

采用9.5倍LEICA MS5立體顯微鏡和攝像頭拍攝切割表面照片，并在同一實驗樣件上分別拍攝三組照片，如圖2所示，圖中1為激光束開始切割實驗樣件的瞬間；2為切割表面中間位置；3為激光束退出切割材料。

圖2 激光切割表面照片拍攝Fig.2 Photographing procedure of laser cutting

使用帶有PC控制器的Hommel T-1000表面粗糙度測量系統檢測激光切割表面的振幅表面粗糙度，該PC控制器裝有Turbo-Datauin NT數據采集系統，可存儲測量數據Ra、Rz、Rt、Rq等表面粗糙度參數，由PC控制器進行對比處理。切割表面粗糙度測量位置如圖3所示。

圖3 切割表面粗糙度測量位置Fig.3 Procedure of roughness measurements

分別選取距離切割表面上邊緣1 mm、5 mm和9 mm的位置進行測量，由于實驗樣件3的切割表面下邊緣檢測位置有熔渣存在，會損壞測量用輪廓針，不便于測量，故將檢測位置設置在損壞切割表面上方1 mm處。輪廓測量范圍為80 μm，評估長度約4.8 mm，切斷長度0.8 mm，在每個測量位置重復測量4次，測量結果去平均值，標準偏差為計算結果平均值。

2 實驗結果和討論

2.1 低速切割對熱影響區寬度的影響

不同切割速度下的3個實驗樣件切割表面的拍攝照片如圖4～圖6所示，切割表面缺陷如熔渣、殘渣和條紋（在切割表面呈波峰和波谷形狀的圖案）均存在，圖中部分位置已采用圖像處理軟件在拍攝照片中進行標記。當激光束退出切割材料時（見圖6），切割表面熱影響區的熔渣和殘渣現象最為顯著；當激光束進入切割材料時（見圖4），切割表面也存在熱影響區和宏觀缺陷，但相比圖6時要少得多；3個實驗樣件的切割表面中間位置的不規則劃痕最少，熱影響區最窄；當切割速度為16.5 mm/s時，切割表面下邊緣無連續熱影響區存在；隨著切割速度的降低，切割表面底部的熔渣、熔融金屬和粗糙波紋表面現象加劇；當激光切割速度為1.84 mm/s時，出現金屬過燒現象。為了防止輪廓針損壞，不對實驗樣件3切割表面底部進行2D粗糙度檢測。在3個實驗樣件切割表面中均有波紋存在，如圖5所示；當切割速度為9.17 mm/s（相當于最大切割速度的50%）時，切割表面中間部分相較于另外兩組實驗樣件，波紋明顯減少；在拍攝的照片中，切割速度對熱影響區寬度的影響較為明顯。

圖4 激光束進入切割位置Fig.4 Cutting surfaces in laser beam entry area

圖5 激光束切割至中間位置Fig.5 Cutting surfaces in the middle

圖6 激光束退出切割材料Fig.6 Cutting surfaces in laser beam exit area

切割速度對熱影響區寬度的影響如圖7所示。當切割速度為9.17 mm/s（相當于最大切割速度的40%）時，熱影響區寬度增加了20%；當切割速度為1.84 mm/s（相當于最大切割速度的20%）時，熱影響區寬度增加了35%；隨著切割速度的降低，熱影響區寬度以近似線性關系遞增，但由于本次實驗數量偏少，不能得出準確描述熱影響區寬度變化的關系式。

2.2 低速切割對表面粗糙度的影響

實驗樣件1、2、3的振幅表面粗糙度參數測量平均值如表4～表6所示，其變化曲線如圖8所示。

圖7 切割速度對熱影響區寬度的影響Fig.7 Effect of cutting speed on heat affected zone width in relation to sample thickness

表4 樣件1表面粗糙度測量值（vc=16.5 mm/s）Table 4 Surface roughness measurement results for sample 1(vc=16.5 mm/s)

表5 樣件2表面粗糙度測量值（vc=9.17 mm/s）Table 5 Surface roughness measurement results for sample 2(vc=9.17 mm/s)

表6 樣件3表面粗糙度測量值（vc=1.84 mm/s）Table 6 Surface roughness measurement results for sample 3(vc=1.84 mm/s)

圖8 三個試驗樣件的粗糙度參數變化曲線對比Fig.8 Values of Ra、Rz、Rt、Rqparameter measured for different cutting speeds

由圖8可知，樣件1和樣件2隨著距切割表面上邊緣距離的增加，粗糙度值均呈增加趨勢，雖然樣件3的數據不完整，但變化趨勢相同；樣件3（vc= 1.84 mm/s）的未損壞切割表面中間位置獲得最佳表面粗糙度；在距離切割表面邊緣上方1 mm處的粗糙度值最大，上述所有檢測數據均為有效值；綜合各參數變化曲線的分析結果，樣件2（vc=9.17 mm/s）切割表面整體質量最好，而樣件3距離切割表面上邊緣9 mm處因切割表面損壞，不便于測量，可以預測在3個樣件中同等測量位置，樣件3在該處的表面粗糙度值最大。

3 結論

（1）切割速度對表面粗糙度、熱影響區寬度、表面宏觀缺陷，如熔渣、熔融金屬和過燒金屬有顯著影響；隨著切割速度的降低，熱影響區寬度隨之增加；當切割速度低于最大切割速度的50%時，切割表面下邊緣被損壞。

（2）3個實驗樣件中，樣件1和樣件2的檢測結果可用；當切割速度為16.5mm/s（最大切割速度）時，表面質量最好，且熱影響區最窄；當切割速度低于最大切割速度，vc=9.17 mm/s時，表面粗糙度值最低，但熱影響區增加了20%的切割表面，粗糙度值越靠近切割表面下邊緣，相差越大；最小切割速度為1.84 mm/s的實驗結果真實，但不建議用于生產制造，因為該切割速度下不僅無法獲得可用的切割表面，而且加工時間過長，效率低。

（3）如果對切割表面的表面質量要求不高，并且不再對切割表面進行再加工，建議采用最大切割速度；如果對表面質量要求高于對熱影響區寬度的要求，則建議采用低于最大切割速度的切割速度。

[1]孫曉東，王松，趙凱華，等.激光切割技術國內外研究現狀[J].熱加工工藝，2012（09）：214-216.

[2]譚超，孫小燕，銀愷，等.飛秒激光切割金屬的表面粗糙度[J].中南大學學報(自然科學版)，2015（12）：4481-4487. [3]陳聰，高明，顧云澤，等.光纖激光切割鋁合金薄板工藝特性研究[J].中國激光，2014（06）：79-85.

[4]孟慶軒，王續躍，徐文驥，等.薄板激光切割氣熔比數學建模及試驗驗證[J].機械工程學報，2011（17）：172-178. [5]ThombansenU,HermanssT，Stoyanov S.Setupand MaintenanceofManufacturingQuality in CO2Laser Cutting[J].Procedia CIRP，2014（20）：98-102.

[6]Kek T，Grum J.Monitoring laser cut quality using acoustic emission[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture，2009（49）：8-12.

[7]StelzerS，MahrleA，WetzigA，etal.Experimentalinvestigations on fusion cutting stainless steel withfiber and CO2laser beams[J].Physics Procedia，2013（41）：399-404.

[8]齊忠軍，李曉明，王濤.激光切割工藝在機械加工中的應用[J].農業科技與裝備，2014（05）：63-64.

Influence of low-speed laser cutting on the width and surface roughness of heat-affected zone

WANG Diaopin
（Department of Mechanical&Electrical Engineering，Chengdu Vocational&Technical College of Industry，Chengdu 610218，China）

Designing the low-speed experiments in laser cutting of AISI 316L，study the variation of the heat-affected zone width and surface roughness of the cut surface at lower cutting speed conditions，then makes suitable improvement for manufacturing laser cutting process parameters.The study found that cutting speed has a significant influence on the surface roughness and the heataffected zone width and surface macroscopic defects；with decreasing cutting speed，the heat-affected zone width increases；if less demanding on the cut surface quality，and no need for further processing，the maximum cutting speed is recommended；either if the surface has more requirements in cut surface quality，the lower cutting speed is recommended.

low-speed laser cutting；heat affected zone；surface roughness；process parameters

TG485

A

1001－2303（2017）03－0113-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.23

獻

王調品.激光低速切割對熱影響區寬度和表面粗糙度的影響[J].電焊機，2017，47（03）：113-118.

2016-08-13；

2016-10-09

王調品（1970—），男，四川成都人，副教授，碩士，主要從事機械結構設計與工程材料仿真分析的研究工作。