激光切割和數(shù)控銑床加工的拉伸試樣力學(xué)性能差異探究

甘煜中

（酒鋼集團(tuán)檢驗檢測中心，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

1 研究背景及意義

在金屬和非金屬材料的加工中，激光切割工藝日趨成熟，已廣泛應(yīng)用在金屬切割領(lǐng)域，現(xiàn)工廠升級改造，新引進(jìn)1 臺激光切割機(jī)用于切割加工拉伸試樣，以取代原來的鋸床和剪板機(jī)。激光切割機(jī)可以直接加工出符合國標(biāo)《GB/T 228.1—2021 金屬材料拉伸試驗第1 部分室溫試驗方法》規(guī)定的拉伸試樣尺寸。

激光切割工藝具有切割速度快、加工精度高、加工熱影響區(qū)小的優(yōu)點，對于加工各類形狀的樣品優(yōu)勢顯著。激光切割工藝和數(shù)控銑床都可以加工出符合國家標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣，由于激光切割金屬材料過程中會產(chǎn)生熱量，盡管熱影響區(qū)很小，但相比數(shù)控銑床冷加工工藝，其熱影響區(qū)也有可能對試樣力學(xué)性能產(chǎn)生影響。鑒于此，現(xiàn)探究激光切割的拉伸試樣和數(shù)控銑床加工的拉伸試樣在力學(xué)性能方面有無差異。

2 試驗設(shè)備

激光切割機(jī)型號為MLF-JGQG- 141201；拉伸試樣加工中心型號為MCV-1060B；全自動拉伸試驗機(jī)型號為Z100 roboTest L。

3 試驗方法

將一塊薄板樣本分成兩半，保證分開的樣品力學(xué)性能無差異，設(shè)計兩組試驗。

第1 組試驗：將一半樣板用數(shù)控銑床加工成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣，再用全自動拉伸試驗機(jī)測試其抗拉強(qiáng)度、非比例延伸強(qiáng)度和斷后伸長率。

第2 組試驗：將另一塊樣板用激光切割機(jī)直接加工到拉伸試樣的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，再用全自動拉伸試驗機(jī)測試其抗拉強(qiáng)度、非比例延伸強(qiáng)度和斷后伸長率。

拉伸試樣選用的樣板厚度均小于3 mm，拉伸試驗方法采用《GB/T 228.1—2021 金屬材料拉伸試驗第1 部分室溫試驗方法》中的方法B（試驗速率由應(yīng)力速率控制）。

4 試驗數(shù)據(jù)

用全自動拉伸試驗機(jī)測試經(jīng)數(shù)控銑床加工好的拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度、非比例延伸強(qiáng)度和延伸率，測試結(jié)果如表1 所示。

表1 第1 組試驗的測試結(jié)果

針對用激光切割機(jī)加工好的拉伸試樣，用全自動拉伸試驗機(jī)測試其抗拉強(qiáng)度、非比例延伸強(qiáng)度和延伸率，測試結(jié)果如表2 所示。

表2 第2 組試驗的測試結(jié)果

對比激光切割試樣和數(shù)控銑床加工試樣，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度的測試結(jié)果如圖1 所示。

圖1 規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度對比結(jié)果

由圖1 可知，激光切割試樣的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度的測量值均高于數(shù)控銑床加工的試樣。

對比激光切割試樣和數(shù)控銑床加工試樣，抗拉強(qiáng)度的測試結(jié)果如圖2 所示。

圖2 抗拉強(qiáng)度對比結(jié)果

由圖2 可知，有5 批試樣激光切割的抗拉強(qiáng)度高于數(shù)控銑床；另外5 批試樣激光切割的抗拉強(qiáng)度低于數(shù)控銑床。

斷后伸長率的對比結(jié)果如圖3 所示。

圖3 斷后伸長率對比結(jié)果

由圖3 可知，有1 批試樣激光切割的斷后伸長率高于數(shù)控銑床；另外9 批試樣激光切割的斷后伸長率低于數(shù)控銑床。

5 試驗結(jié)果分析討論

從激光切割試樣和數(shù)控銑床加工試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果來看，兩種制樣方法所得的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率都存在不同程度的差異，現(xiàn)用t 檢驗分析來討論兩種方法制樣檢測結(jié)果的差異程度。

5.1 力學(xué)性能測試

激光切割試樣和數(shù)控銑床加工試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果配對差如表3 所示。

表3 力學(xué)性能測試結(jié)果配對差

5.2 配對t 檢驗分析

兩種制樣方法下的配對t 檢驗分析如表4 所示。

表4 配對t 檢驗分析

由表4 可知，經(jīng)t 檢驗分析，分別測試兩種制樣方法得到的樣品的力學(xué)性能，由規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度的配對差計算得到的t 值大于臨界值，在95%的置信區(qū)間內(nèi)，使用激光切割制樣和數(shù)控銑床制樣對規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度的測試結(jié)果存在差異；由斷后伸長率的配對差計算得到的t 值大于臨界值，在95%的置信區(qū)間內(nèi)，使用激光切割制樣和數(shù)控銑床制樣對斷后伸長率的測試結(jié)果存在差異；由抗拉強(qiáng)度的配對差計算得到的t 值小于臨界值，在95%的置信區(qū)間內(nèi)，使用激光切割制樣和數(shù)控銑床制樣對抗拉強(qiáng)度的測試結(jié)果無顯著差異。

原因分析：激光切割過程會產(chǎn)生熱量，氮氣會帶走絕大多數(shù)的熱量，切割3 mm 以內(nèi)的樣板的熱影響區(qū)非常小，對試樣的抗拉強(qiáng)度幾乎不產(chǎn)生影響，所以使用激光切割制樣和數(shù)控銑床制樣對抗拉強(qiáng)度的測試結(jié)果無顯著差異；而激光切割產(chǎn)生的熱會硬化試樣的切割邊緣，雖然影響區(qū)非常小，對抗拉強(qiáng)度的影響微乎其微，但邊緣的硬化會使得試樣拉伸過程中塑性變形發(fā)生更晚，近而使規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度升高，斷后伸長率降低[1]。

6 結(jié)論

1）分別測試由激光切割法加工拉伸試樣和數(shù)控銑床加工拉伸試樣的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度的測試結(jié)果無顯著差別，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度和斷后伸長率的測試結(jié)果存在差異。

2）激光切割機(jī)加工試樣時，試樣邊緣受到的熱量會影響到試樣的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度和延伸率。