冷軋產(chǎn)線硅鋼激光高速切邊實驗研究

辛立軍，王智勇

（北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，北京100124）

硅鋼是制造變壓器、繼電器等機電和電子產(chǎn)品的重要材料，具有良好的磁性能和較高的硅含量，是電力、電子和軍事工業(yè)不可缺少的重要材料。精整工序是保證冷軋產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，即利用圓盤剪沿著冷軋硅鋼片的軋制方向，把一定寬度的硅鋼片板料，按所需寬度剪切成各種條料，以供橫剪之用。由于工具直接壓在加工物上，存在切口邊緣有微裂紋和應(yīng)力的問題，還有毛刺和邊浪等缺陷；此外，由于工作時刃口部分承受沖擊力、剪切力和彎曲力，還受到硅鋼板的擠壓和摩擦，極易造成刃口磨損、裂紋或崩刃，從而導(dǎo)致失效。

本文針對現(xiàn)有冷軋硅鋼產(chǎn)線圓盤剪切邊存在的切邊質(zhì)量差、刀具磨損嚴(yán)重等一系列問題，對不同激光加工參數(shù)下的激光高速切邊進行了理論及實驗研究。

1 實驗材料與設(shè)備

實驗選用板厚0.3 mm的冷軋硅鋼作為試樣材料，其化學(xué)成分見表1。

激光切割實驗設(shè)備采用YLS-6000和YLS-3000-SM高功率光纖激光器，YLS-6000采用的光纖芯徑為150 μm，切割頭型號為Precitec AK HP SSL，準(zhǔn)直鏡焦距100 mm，聚焦鏡焦距125 mm，噴嘴孔徑1 mm。

表1 硅鋼的化學(xué)成分

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 激光功率影響

圖1是切割速度隨激光功率的變化曲線。隨著激光功率的增加，切割速度隨之增加。若保持切割速度不變，切割功率對切割質(zhì)量的影響呈倒拋物線變化趨勢。即激光功率較小時，切縫不易切透，熔渣停留在切縫中，造成切割質(zhì)量較差；隨著激光功率的增加，切縫變寬，切割質(zhì)量提高；但隨著激光功率的繼續(xù)增加，切縫變得更寬，影響區(qū)增加，切縫處過燒，從而使切割質(zhì)量降低。

圖1 切割速度隨激光功率的變化曲線

這是因為能量與激光功率呈正比，激光功率密度隨著激光功率的增大而增大，在單位時間內(nèi)將有更多的激光束能輻照到材料表面，激光束對材料表面的輻照加熱作用強，熔化或氣化的材料就越多，相同厚度材料的相應(yīng)切割速度也得到提高。但功率過高，易造成切縫寬度增加，影響區(qū)嚴(yán)重。

2.2 激光模式影響

激光模式描述了激光束橫截面的能量密度分布模式。光束模式越低，聚焦后的光斑直徑越小，功率密度和能量密度越大。因此，基模激光器的能量密度較多模激光器高，所以其切割速度高于多模激光器。但對于厚板，由于要有一定的切縫寬度才能將熔融金屬從切縫中吹除，因此，過細(xì)的光斑反而使切割速度降低，所以要根據(jù)不同的工況來選擇激光器的模式。

2.3 聚焦透鏡和聚焦位置影響

激光切割的優(yōu)點之一是光束的能量密度高，一般大于107W/cm2。由于能量密度與光斑大小成正比，所以焦點光斑直徑需盡可能小，以便產(chǎn)生窄的切縫。同時，焦點光斑直徑還和透鏡的焦深成正比，聚焦透鏡焦深越小，焦點光斑直徑就越小，對于輸出功率一定的激光器能達(dá)到較高的能量密度，這樣就提高了切割速度，得到了較窄的切縫，切割表面也更平滑。但由于焦深減少地很快，這將直接導(dǎo)致切縫垂直度降低，且在切割邊界的上下表面粗糙度不一致，當(dāng)切割有飛濺時，透鏡離工件太近易使透鏡損壞，所以短焦距透鏡一般只適用于薄板的切割。對于厚板切割，采用長焦距透鏡能使切割產(chǎn)生的切縫垂直度較高，切割邊界的上下表面粗糙度也較接近。對于高質(zhì)量的切割，有效焦深還和透鏡直徑及被切材料有關(guān)。

本文以焦點在試板上方為正離焦。實驗中，薄板切割時的離焦量為0，即在焦點位置進行切割。激光功率為6 kW，切割速度為140 m/min時，改變焦點位置得到的切割斷面結(jié)果見圖2。

圖2 不同焦點位置得到的切割斷面

從圖2可看出，離焦量為0時，切割斷面光滑、無掛渣。隨著離焦量的增加，切割質(zhì)量下降，掛渣增多，切縫寬度增加，切割深度變淺；當(dāng)離焦量過大時，甚至出現(xiàn)切不透現(xiàn)象。這是由于離焦量變大，光斑尺寸增加，功率密度變小，使得出現(xiàn)切不透現(xiàn)象。此外，離焦量對切割速度也有影響，相同功率下，隨著離焦量的增加，切割速度下降。這是由于離焦量變大，功率密度變小，加工時獲得足夠切割能量的時間增長，故切割速度變慢。

2.4 切割速度影響

切割速度是影響切割質(zhì)量最重要的因素之一，它直接影響切口寬度和切口表面粗糙度。在激光功率一定的條件下，不同切割速度對切割質(zhì)量的影響及工件背面粘附的熔渣不一樣。實驗表明，在能切透的前提下，切割速度越快，切割質(zhì)量越好，其切縫整齊，熔渣少，變形?。磺懈钏俣嚷?，則工件光照時間長、溫度高，熱影響區(qū)大，因而切縫粗糙，熔渣多。但切割速度過快，切割處的金屬還來不及吹除就已經(jīng)冷卻，易形成割不透和掛渣；切割速度過慢，則熔池擴大，割縫表面粗糙度值變大。因此，對于不同材料、不同板厚、不同的切割氣體壓力，切割速度有一個最佳值，這個最佳值約為最大切割速度的80%。

3 高速切割時切割前沿的變化研究

高速切割時，切割前沿的形狀變得平坦；低速切割時，切割前沿基本與切割方向垂直，熔融金屬極易從切縫中吹除。隨著切割速度的增加，熔融金屬已不能從切縫中很快地吹除，因此會造成切割前沿的下部出現(xiàn)水平方向的滯后。在此速度下，切割前沿近似為傾斜的直線。如切割速度繼續(xù)增加，切割前沿的形狀變得更加平坦。這個形狀的改變引起切割前沿下部熔融金屬也隨之變化，熔融金屬紊亂，粗糙度值增加（圖3）。

此外，高速切割時，切割前沿熔化層厚度增加。激光切割中，速度的改變對切縫寬度的影響很小，所以切割前沿處的質(zhì)量流速與切割速度近似為比例關(guān)系。例如，切割速度變?yōu)?倍，質(zhì)量流速也接近為原有流速的2倍。有兩種理論：一是垂直方向上具有更高的熔化速度；二是更大的流動界面。高溫下熔體粘性會降低，垂直流速有微小的增長。但入射角度的增加和切割前沿的變陡會使這個影響變得極其微小，可忽略不計。因此，使流速增加的主要原因是橫截面的增加，這也導(dǎo)致切割前沿處熔化層厚度的增加，從而導(dǎo)致熔體紊亂，粗糙度增加。

圖4是不同切割速度下的切割斷面?？煽闯?，隨著切割速度的增加，熔融金屬的流動方向發(fā)生了改變，驗證了切割前沿隨著切割速度增加而變平緩的理論。當(dāng)速度增加到足夠大時（圖4d），切割前沿基本與切割方向平行，此時，熔融金屬從切縫中吹除變得十分困難，切縫底部存在掛渣現(xiàn)象。

圖3 切割前沿形狀

4 結(jié)論

（1）切割最高速度隨著功率的增加而增加；隨著離焦量的增加，切割質(zhì)量下降，掛渣增多，切縫寬度增加，切割深度變淺。

（2）基模激光器能量密度更高，因此在薄板切割時，切割速度高于多模激光器。但對于厚板，由于要有一定的切縫寬度才能將熔融金屬從切縫中吹除，過細(xì)的光斑反而使切割速度降低，因此，要根據(jù)不同的工況來選擇激光器的模式。

圖4 不同切割速度下的切割斷面

（3）切割前沿隨著切割速度的增加會變得平坦，速度足夠大時，切割前沿甚至接近與切割方向平行，此時切縫下部存在掛渣現(xiàn)象。