不銹鋼激光切割加工工藝優(yōu)化及表面質(zhì)量研究*

林錦明，姜 超※，頓亞鵬，楊艷艷，汪宏真

（1.機(jī)械科學(xué)研究總院海西（福建）分院有限公司，福建沙縣 365500；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院，湖北十堰 442002）

0 引言

目前材料加工和制造對(duì)幾何精度、表面質(zhì)量、微尺寸等方面逐漸有較高要求，工業(yè)領(lǐng)域制造已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)向采用先進(jìn)制造方法[1-3]。激光切割技術(shù)是一種在材料加工領(lǐng)域中先進(jìn)的熱切割技術(shù)，以其切割速度快、切縫質(zhì)量好、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶制造、醫(yī)療器械等各種工業(yè)領(lǐng)域的材料加工。激光切割過程是一個(gè)熱輸入受控的非接觸過程，高能密度激光束聚焦在工件表面，通過熔化或蒸發(fā)材料來去除材料[4-7]。與激光束同軸輸送的氣體射流，協(xié)助將蒸發(fā)和熔化的材料從切割區(qū)噴射出來。不銹鋼是一種重要的工程材料，其氧化物熔點(diǎn)高、黏度低，不易被氧基燃料火焰法切割，但適合激光切割。Tamura等[8]使用30 kW高功率光纖激光器成功地切割了厚度為300 mm 的不銹鋼和碳鋼板；Chagnot等[9]用8 kW的Nd∶YAG激光和自主研發(fā)的切割頭成功切割最大厚度為100 mm的不銹鋼板。

1 激光切割機(jī)理

激光切割分為熔化切割、氧化熔化切割、氣化切割、控制斷裂激光切割和激光燒蝕切割等形式[10-11]。當(dāng)高功率激光通過透鏡聚焦在材料上時(shí)，能瞬間注入材料之中，進(jìn)而使材料發(fā)生熔化、化學(xué)鍵斷裂以及蒸發(fā)等變化。高壓輔助氣體將蒸發(fā)和熔化的材料從切割區(qū)噴射出來。最終完成對(duì)材料的精確切割。F O Olsen[12]研究得出在激光切割中，每個(gè)脈沖都必須有足夠的能量和足夠高的峰值強(qiáng)度，足以加熱熔化一定體積的材料并克服傳導(dǎo)損耗。大多數(shù)材料在熔化階段被噴射出來，只有一小部分以蒸汽形式被去除。當(dāng)局部蒸發(fā)壓力超過切割氣體壓力時(shí)有助于材料的去除，并減少切口前沿的金屬層厚度，從而改善能量通過熔融層傳導(dǎo)進(jìn)入切口前方固體材料。

在激光氣化切割中，聚焦的激光束作用在材料表面會(huì)形成一個(gè)小孔，其表現(xiàn)為一個(gè)黑體，使吸收率增加，進(jìn)而使孔洞變深，并使用輔助氣體將材料蒸汽吹出切口。氣化切割一般用于切割木材、高分子聚合物、橡膠等非金屬材料上，因其在加工過程中可避免過度熔化，能夠獲得非常高質(zhì)量的切割邊緣[13]。

在激光熔化切割中，激光束作用的材料發(fā)生熔化，在達(dá)到氣化狀態(tài)之前，使用氮?dú)饣蛘邭鍤廨o助氣體加壓射流將材料從切口中移除。氣流通過噴嘴形成的噴射方向與激光同軸，可達(dá)到超音速束流[10]。激光熔化所需功率約為激光氣化切割所需功率的1/10。如果所提供的輔助氣體為氧氣，與熔融板材發(fā)生放熱反應(yīng)，速度比熔化切割速度最多可高出6倍之多，則該過程稱為氧化熔化激光切割。

在控制斷裂激光切割中，材料被加熱后產(chǎn)生高溫，激光光斑附近的應(yīng)力是壓縮的。激光束通過后，這些壓縮應(yīng)力松弛，并產(chǎn)生局部殘余拉應(yīng)力[14]，起到了減壓的作用。由于應(yīng)力的作用，裂紋沿激光光斑方向繼續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致工件材料沿激光束路徑分離。切割過程可分為3個(gè)階段。起始階段，斷裂是由試樣邊緣的拉應(yīng)力引起；第二階段是穩(wěn)定生長階段，激光光斑附近的應(yīng)力高度壓縮。激光通過后，材料的塑性壓應(yīng)力得到松弛，并產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，使材料的斷裂由上到下表面擴(kuò)展；最后階段是不穩(wěn)定斷裂階段，裂紋尖端附近的應(yīng)力完全是沿厚度方向的拉應(yīng)力，使裂紋擴(kuò)展不穩(wěn)定。這種激光切割機(jī)制一般用于切割厚陶瓷基板[15]。

激光燒蝕切割的機(jī)理與其他切割完全不同，來自激光的紫外線脈沖被有機(jī)材料吸收，激光束打破材料的化學(xué)鍵，直到分解成其化學(xué)成分。因此，可以逐層移除微米厚材料的一小部分，近年來激光燒蝕技術(shù)在服裝行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[16]。

2 激光切割不銹鋼工藝

Cristina Anghel 等[17]基于響應(yīng)面方法進(jìn)行激光切割304 不銹鋼微型齒輪的研究，優(yōu)化激光參數(shù)獲得最佳值平均粗糙度。通過SEM 觀察，表面均勻，頂部有輕微的編織圖案，底部有小的浮渣附著，表面無裂紋和麻點(diǎn)，表明最佳參數(shù)下切割出良好的表面形貌。李永亮等[18]采用格拉布斯異常值檢驗(yàn)方法和最小二乘法完成切縫寬度、表面紋理最大峰值、掛渣量數(shù)據(jù)處理，基于響應(yīng)面法得到表面切縫寬度、表面紋理最大峰值和掛渣量3 個(gè)響應(yīng)目標(biāo)的預(yù)測函數(shù)，確定了3 mm 厚304不銹鋼激光切割的最佳工藝參數(shù)。

E Fallahi Sichani等[19]研究了高速切割情況下等離子體形成的風(fēng)險(xiǎn)，不銹鋼激光熔切過程中等離子體的形成與輔助氣體的類型有關(guān)，與切割材料無關(guān)。切割速度的增加導(dǎo)致了過程前沿的傾斜增加，增強(qiáng)了從熔池到輔助氣體的熱傳遞。切割前傾角增大使輔助氣體與熔池的接觸面積增大，增強(qiáng)了熔池向輔助氣體的傳熱。研究發(fā)現(xiàn)等離子體形成會(huì)損壞噴嘴和切割頭等光學(xué)元件，并且降低了作用在材料上的激光強(qiáng)度，影響切割質(zhì)量。

K Rajesh[20]研究了激光切割速度、輔助氣體壓力、激光功率等工藝參數(shù)對(duì)304不銹鋼切縫寬度和切割邊緣質(zhì)量的影響。建立L27 正交陣列實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行方差分析，利用多元回歸分析方法建立了預(yù)測模型，發(fā)現(xiàn)激光功率是切割質(zhì)量的主要影響因素，其次是切割速度和氣壓。通過回歸模型發(fā)現(xiàn)切縫寬度隨切割速度和激光功率的增大而增大，激光功率為600 W，切割速度為2000 mm/min，氣體壓力為0.05 MPa時(shí)，切縫寬度最小。史堯臣等[21]采用YAG 激光切割1 mm 高錳低鎳不銹鋼薄板，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中直觀分析與方差分析了不銹鋼板切縫寬度數(shù)據(jù)，得到影響切縫寬度的參數(shù)順序從大到小依次為激光功率、脈沖寬度、重復(fù)頻率，且由F 檢驗(yàn)法可知激光功率對(duì)上切縫寬度影響更為顯著。A Parthiban 等[22]研究了不銹鋼薄板切口寬度達(dá)到最小的切割質(zhì)量，利用響應(yīng)面法導(dǎo)出的上下切縫寬度響應(yīng)方程，可以在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)成功地預(yù)測任意組合CO2激光切割參數(shù)下的上下切縫寬度。如圖1（a）所示，頂部切口寬度隨著光束功率的增加而逐漸增加。如圖1（b）所示，隨著光束功率和氣壓的增加，頂部切口寬度逐漸增大，在高功率3.5～4 kW時(shí)頂部切縫寬度最大。如圖2（a）所示在最大切割速度和光束功率下，底部切口寬度最小。如圖2（b）所示中等切割速度和中等氣壓下，底部切口寬度最大。

圖1 頂部切口寬度的響應(yīng)面圖

圖2 底部切口寬度的響應(yīng)面圖

K Abdel Ghany 等[23]利用脈沖和連續(xù)波Nd∶YAG 激光束以及氮或氧輔助氣體，分別對(duì)1.2 mm奧氏體不銹鋼板材進(jìn)行激光切割工藝參數(shù)的優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)切割質(zhì)量主要取決于切割速度、切割方式、激光功率、脈沖頻率和聚焦位置。氮比氧具有更亮、更光滑的切割面和更小的切縫，但不經(jīng)濟(jì)。提高切割頻率和切割速度會(huì)降低切割面切縫寬度和粗糙度，而提高功率和氣壓則會(huì)提高切縫寬度和粗糙度。馮巧波等[24]采用YAG脈沖激光切割1 mm 304不銹鋼，建立L9(34)正交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電流增大會(huì)使切口下表面掛渣量變大，如圖3 中：（1）、（2）所示試樣切割電流100 A，（7）、（8）所示試樣切割電流140 A，宏觀觀察發(fā)現(xiàn)掛渣較大且長；脈寬變大，端面粗糙度顯著變大，（1）所示試樣的脈寬0.5 ms，（9）所示脈寬1 ms；而電流、頻率和切割速度變大，端面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增大現(xiàn)象。

圖3 切口端面掛渣結(jié)果

Ambar Choubey 等[25]研究了脈沖Nd∶YAG 激光切割304 厚不銹鋼板材在干燥空氣和水下環(huán)境的工藝優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)，通過將脈沖持續(xù)時(shí)間從14 ms 增加到20 ms，樣品的切割速度提高到3倍左右。與干燥的空氣環(huán)境相比，水下切割的切縫寬度、HAZ和成渣的黏性都略有降低。

Sangwoo Seon 等[26]用6 kW 光纖激光器對(duì)厚60 mm 不銹鋼板進(jìn)行了切割性能研究。研究發(fā)現(xiàn)在等待時(shí)間內(nèi)，對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱和提高步進(jìn)式切割速度比恒速切割效果好。當(dāng)施加等待時(shí)間時(shí)，初始切割性能有所提高，但對(duì)切割條件非常敏感，不能有效地應(yīng)用于厚鋼板的切割。Seong Y Oh[27]用6 kW光纖激光器對(duì)厚60 mm 不銹鋼進(jìn)行激光切割，研究噴嘴幾何結(jié)構(gòu)對(duì)激光切割精度的影響。結(jié)果表明，利用超音速噴嘴對(duì)厚60 mm不銹鋼激光切割質(zhì)量較好。

3 激光切割不銹鋼表面質(zhì)量

Jetro Pocorni 等[28]研究了光纖激光切割前沿的形態(tài)，并利用高速成像技術(shù)對(duì)切割前沿的流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)在激光切割過程中，熔體膜在切割前沿的形態(tài)和流動(dòng)特性會(huì)影響切割質(zhì)量，如切割邊緣粗糙度和熔渣。圖4 所示為CO2和光纖激光切割前沿的顯微形貌，從圖中可觀察出CO2和光纖激光器的切割前沿幾何形狀有根本的不同，當(dāng)使用CO2激光時(shí)，熔體/固體和液體/氣體的界面都更光滑。光纖激光氮?dú)廨o助切割過程中熔體流動(dòng)是高度不穩(wěn)定，產(chǎn)生的切割前沿被緩慢移動(dòng)的駝峰覆蓋，導(dǎo)致切邊平整度降低。

圖4 CO2和光纖激光切割前沿的顯微形貌

Krzysztof Jarosz 等[29]通過激光切割A(yù)ISI316L 不銹鋼研究切割速度對(duì)熱影響區(qū)(HAZ)和表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)切割速度減小，HAZ寬度會(huì)變大，使用最高的切割速度(v=16.5 mm/s)可以產(chǎn)生具有良好粗糙度和可忽略的熱影響區(qū)的切割表面。孫健峰等[30]在對(duì)316 L不銹鋼薄板進(jìn)行激光切割過程中，建立滿足氣化切割條件的材料物性、成型參數(shù)與切縫寬度之間的數(shù)學(xué)模型并驗(yàn)證準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)切縫缺陷主要由重鑄層中熱裂紋、金屬顆粒的刮渣和波浪條紋組成。

D F Pessoa等[31]討論了用激光切割?yuàn)W氏體不銹鋼制成薄板試樣的疲勞行為。分析結(jié)果表明，激光切割產(chǎn)生3 種宏觀缺陷，分別為沿切割面呈明顯的凸起、切割邊緣下方有毛刺以及重鑄層與基體材料界面處有氣孔等缺陷，從圖5可以發(fā)現(xiàn)在切割過程中，一部分排出的熔化材料在切割邊緣的下側(cè)以浮渣的形式凝固。從圖6可以發(fā)現(xiàn)切割邊緣上重鑄層內(nèi)部有氣孔的缺陷。毛刺的切口效應(yīng)和氣孔產(chǎn)生的切口效應(yīng)降低材料疲勞壽命。Erica Librera等[32]研究CO2和光纖2種激光切割技術(shù)在切割邊緣質(zhì)量上的差異。通過變焦距顯微鏡獲取切縫三維表面，并利用面粗糙度參數(shù)對(duì)激光切割邊緣的表面質(zhì)量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

圖5 切口下側(cè)近表面材料形貌的掃描電鏡顯微照片

圖6 切口的近表面和4 mm厚試樣重鑄層的內(nèi)部缺陷的光學(xué)顯微鏡照片

4 結(jié)束語

本文闡述了在激光切割不銹鋼領(lǐng)域國內(nèi)外學(xué)者的研究進(jìn)展，研究學(xué)者針對(duì)不銹鋼激光切割工藝優(yōu)化及質(zhì)量評(píng)價(jià)，通過不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及表征形式進(jìn)行了多維度的實(shí)驗(yàn)研究。通過以上討論得出下列結(jié)論。

影響激光切割質(zhì)量的參數(shù)有激光參數(shù)（如激光功率、波長、模式等）、材料類型及板厚工藝參數(shù)（如脈沖寬度或持續(xù)時(shí)間、脈沖頻率、電流、切割速度、輔助氣體類型和壓力等）。激光切割參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響可以從上下切口寬度、切口錐度、表面粗糙度、重鑄層、浮渣和熱影響區(qū)等基本特征進(jìn)行評(píng)價(jià)。

在激光切割過程中，實(shí)驗(yàn)優(yōu)化技術(shù)及建模分析愈發(fā)頻繁應(yīng)用于優(yōu)化求解及工藝參數(shù)的影響研究。在以后研究中，仍需繼續(xù)開展激光切割機(jī)理分析，進(jìn)一步開展大功率激光切割厚板材的實(shí)驗(yàn)研究，針對(duì)激光切割過程中的氣體動(dòng)力學(xué)及材料熱力學(xué)進(jìn)行建模，對(duì)溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬分析，建立激光切割不同厚度和類型板材的理論基礎(chǔ)。