激光切割不銹鋼的工藝研究

王斌修,賀敬地

(青島理工大學(xué),山東青島 266033)

激光切割時利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑,將材料快速加熱至氣化溫度,蒸發(fā)形成小孔洞后,再使光束和材料相對移動,從而獲得窄縫的連續(xù)切割。激光切割具有切割質(zhì)量好、熱影響區(qū)小、無變形、切割速度快、效率高和安全可靠等諸多有利因素,但是要使激光切割達(dá)到切縫入口處輪廓清晰、切縫窄、切邊熱影響小、切邊平行度好、無切割粘渣和切割表面粗糙度好的質(zhì)量,就必須分析影響激光切割的工藝因素。

影響激光切割的工藝因素有切割速度、功率、輔助氣體和離焦量等。下面,我們來分別對上述因素進(jìn)行試驗分析。

1 試驗器材

本實驗使用JHM-1GX-500型多功能加工機,激光器為YAG脈沖激光器,激光波長為1.06μm,脈沖頻率為1～200 Hz連續(xù)可調(diào),脈沖寬度為0.1～20 ms連續(xù)可調(diào),輸出能量(用電流表示)為100～450 A,激光輸出最大單脈沖能量為90 J,切割聚焦鏡焦距為75mm,聚焦后光斑直徑為0.2 mm,聚焦后的功率密度可達(dá)105～1 013W/cm2。

1Cr18Ni9Ti不銹鋼的化學(xué)成分見表1。

表1 試驗用1Cr18Ni9Ti不銹鋼的化學(xué)成分

2 工藝研究

2.1 切割速度對切割質(zhì)量的影響

研究切割速度對不銹鋼材料的影響,在試驗時選取輸出電流175 A,脈沖頻率為70 Hz,脈沖寬度為0.3 ms,氧氣壓力為1.2 M Pa,變化切割的速度進(jìn)行試驗得到如下數(shù)據(jù)(表2)。

表2 速度對切割質(zhì)量影響數(shù)據(jù)

在圖1中,可看到,切割速度對切割質(zhì)量的影響是十分明顯的。當(dāng)切割速度過低時,由于氧的燃燒速度高于或等于激光束移動速度,工件切縫有明顯的燒傷痕跡,且切縫也較寬,切面很粗糙。當(dāng)切割速度逐漸提高進(jìn)入到一定的范圍時,激光束移動雖然發(fā)生變化,但切縫寬度基本趨于恒定,切邊平行度好,切面呈規(guī)則細(xì)條紋狀。激光切割速度超過這個范圍時,隨著激光掃描速度的提高,材料表面所接收的激光能量不足,材料不能被切透。因此,在一定的條件下,切縫寬度隨著切割速度的增加而降低。

圖1 切割速度對切縫寬度的影響

切割面的表面粗糙度值隨著切割速度的增大呈先下降后上升的變化,如圖2所示。在剛開始切割時切割速度過低,則激光與材料相互作用的時間較長,單位時間輸入到工件的能量偏高,超過了正常切割所需的能量,導(dǎo)致了材料過度燒蝕,擴大了熱影響區(qū),因此切割面的表面粗糙度值較大;隨著速度的增加,作用于材料表面的慢慢能量降低,達(dá)到可以正常切割的能量,因此切口開始變光滑,當(dāng)切割速度增大到35～40 mm/min時,切割速度大于氧化反應(yīng)的速度,切口處基本上不附有熔渣,切割面變光滑,因此切割面的表面粗糙度值很小,達(dá)到的最好切割效果;再繼續(xù)增加速度,則會由于激光作用與材料的時間太短使得能量不足,導(dǎo)致切割質(zhì)量變差、表面粗糙度值變大,直到激光的能量不能切割透鋼管。

圖2 切割速度對切割面粗糙度的影響

2.2 功率對切割質(zhì)量的影響

在研究功率對激光切割質(zhì)量的影響時,用電流大小來表示功率的大小。切割速度為35 mm/m in,脈沖寬度為0.3ms,脈沖頻率為75Hz,氧氣壓力為1.0 MPa,變化電流的大小進(jìn)行試驗,測得的試驗數(shù)據(jù)見表3,處理數(shù)據(jù)得到圖3、圖4所示的脈沖電流對切縫寬度和切割表面粗糙度的曲線關(guān)系圖。

表3 速度對切割質(zhì)量影響數(shù)據(jù)

圖3 脈沖電流對切縫寬度的影響

從圖3中可看出,切縫寬度隨著激光輸出電流的增大而變大。這是因為開始的電流可滿足正常切割,隨著電流的增加,輸入到工件的能量增加,其熔化的材料增多,導(dǎo)致切縫寬度增加,但由于電流不高,所以切縫寬度增加的幅度較規(guī)則。當(dāng)輸出電流增大到185 A時,切縫寬度增加的幅度開始變大,這是因為此時材料吸收的能量已過大,若繼續(xù)增大電流將會出現(xiàn)材料燒蝕情況。反之,降低激光輸出電流,則會使實際輸入到工件的能量減少,其所熔化的材料減少,導(dǎo)致切縫寬度變小。因此,適當(dāng)減小輸出電流可獲得較小的切縫寬度。

圖4 脈沖電流對切割面粗糙度的影響

從圖4可看出,隨著輸出電流的增大,切斷表面粗糙度值呈下降趨勢。在160～185 A之間,表面粗糙度值的變化最大;超過185 A后,表面粗糙度值變化很小,趨于穩(wěn)定。

2.3 輔助氣體對切割質(zhì)量的影響

在實際的切割過程中,輔助氣體壓力的大小對加工效果有很大的影響。當(dāng)加大輔助氣體的壓力時,激光切割速度可隨之提高;當(dāng)達(dá)到某一峰值時,繼續(xù)增加氣體壓力反而會引起切割速度的下降。

選用氧氣作為輔助氣體,輸出電流 I=170 A,脈沖寬度ti=0.3 ms,脈沖頻率 f=70 Hz,切割速度v=30mm/min,焦點置于試件表面以下,噴嘴高度h=1mm,調(diào)整氧氣壓力大小進(jìn)行切割實驗,將測量結(jié)果列入表4。圖5、圖6是通過處理表4的實驗數(shù)據(jù)獲得的氧氣壓力對切縫寬度和切割面表面粗糙度的影響曲線圖。

表4 速度對切割質(zhì)量影響數(shù)據(jù)

圖5 氧氣壓力對切縫寬度的影響

圖6 氧氣壓力對切割面粗糙度的影響

從圖5中可看出,切縫寬度隨著氧氣壓力的增大而變大。當(dāng)達(dá)到1.4 MPa時,趨于穩(wěn)定。這是因為,氧氣在激光切割過程中主要有以下4種作用:保護(hù)聚焦鏡,防止被污染;吹除割縫中的熔渣,形成切口;參與發(fā)生氧化反應(yīng),放出熱量幫助切割;冷卻激光作用區(qū),減小熱影響變形。當(dāng)氣壓較低時,以前3種作用為主,但此時由于氧氣流量低,所以發(fā)生氧化反應(yīng)放出的熱量少,在輸出電流和切割速度不變的情況下,實際輸入到工件的能量降低,切縫寬度較小。反之,當(dāng)氧氣壓力變高時,發(fā)生氧化反應(yīng)放出的熱量多,幫助切割的能量就較多,在其他參數(shù)不變的情況下,輸入到工件的有效能量增加,造成切縫寬度變大。當(dāng)氧氣壓力過高時,會過大地冷卻了激光作用區(qū),帶有一部分激光能量,使得材料吸收的能量漸漸恒定,因此切縫寬度達(dá)到最大值后會趨于穩(wěn)定。

從圖6中可看出,切割面表面粗糙度值隨氧氣壓力的增大先減后升。在氣壓低于1 MPa時,切割表面粗糙度值隨著壓力的增大反而變小。這是因為,這一階段增加氧氣壓力使氧化反應(yīng)放出的熱量增多,幫助切割,獲得比較光滑的切口。在氣壓大于1 MPa時,切割面表面粗糙度值隨壓力的增大而變大。這是因為,這一階段氧氣壓力變大,會對聚焦鏡產(chǎn)生返回壓力,降低了吹除割縫中熔融物的能力,因此切口處有氧化物生成,并有熔渣粘附,表面粗糙度值變大。

2.4 焦點位置對切割質(zhì)量的影響

焦點位置控制的好壞,對于切口質(zhì)量的影響非常大。一般來說,切割普通碳鋼將激光的焦點聚焦到加工表面上;而切割不銹鋼、鋁材時,則需將焦點設(shè)定在加工表面以下,以達(dá)到擴大切口寬度、增加輔助氣體流動的目的。由于焦點處的能量最高,因此焦點位置的設(shè)定直接影響著切割質(zhì)量。通常以切割件表面為基準(zhǔn),焦點在基準(zhǔn)以上稱為正離焦,在基準(zhǔn)以下稱為負(fù)離焦(圖7)。在大多數(shù)切割情況下,焦點位置剛處在工件表面上,或處于負(fù)離焦。在切割過程中,為了保證能獲得穩(wěn)定的切割質(zhì)量,焦點位置要恒定。

圖7 激光切割時焦點位置

為了獲得焦點位置對切割質(zhì)量的影響規(guī)律,選取電流 I=175 A,切割速度 v=35mm/min,氧氣壓力F=1.2MPa,脈沖寬度 ti=0.3ms,脈沖頻率 f=70 Hz,噴嘴距離試件h=1mm,不斷調(diào)整焦點位置進(jìn)行切割,測量結(jié)果列入表5。圖8和圖9為焦點位置對切割質(zhì)量的影響曲線圖。

表5 調(diào)整焦點位置的實驗數(shù)據(jù)

從圖8中可看出,焦點位置在端帽上表面以下約0.3 mm時,切縫寬度最小,此時不管焦點向上還是向下偏移,切縫寬度都會增大。從圖9中可看出,切割表面粗糙度值在焦點位置剛處在工件表面上時最小,且隨著離焦量的增大而增大。

圖8 焦點位置對切縫寬度的影響

圖9 焦點位置對切割面粗糙度的影響

因此,本實驗得出:切割不銹鋼時,焦點位置在試件表面以下0～0.3mm即負(fù)離焦時,可獲得較好的切割效果。

3 結(jié)論

在激光切割不銹鋼鋼管的過程中,切割速度、功率、輔助氣體及焦點位置都對切割質(zhì)量有很大的影響。但在實際加工過程中,多因素的影響可能更復(fù)雜,所以,在保證正常切割的條件下,降低輸出電流、增大切割速度和減小氧氣壓力,都可減小切縫寬度;增大輸出電流可降低表面粗糙度值。綜合試驗結(jié)果,最后可得到較為理想的切割試驗參數(shù)為:切割速度 v=35mm/m in;脈沖電流I=180 A;氧氣壓力F=1.0 MPa;焦點位置在正離焦0.3 mm。

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