10mm奧氏體不銹鋼光纖激光切割工藝研究

朱鵬程，薛華軍，凌步軍，趙 洋

（江蘇亞威機床股份有限公司 江蘇省金屬板材智能裝備重點實驗室，江蘇 揚州 225200）

10mm奧氏體不銹鋼光纖激光切割工藝研究

朱鵬程，薛華軍，凌步軍，趙 洋

（江蘇亞威機床股份有限公司 江蘇省金屬板材智能裝備重點實驗室，江蘇 揚州 225200）

以影響切割質量的因素為基礎，采用4kW光纖激光器對10mm厚度0Cr18Ni9不銹鋼展開切割工藝試驗。系統研究了離焦量、切割速度、激光功率等切割參數對斷面傾斜角、粗糙度、掛渣量的影響。結果表明，優化后的斷面傾斜角小于0.8°，割縫掛渣可小于0.11mm，斷面粗糙度小于10μm。

光纖激光切割機；切割工藝；奧氏體不銹鋼；斷面傾斜度；掛渣量

0Cr18Ni9不銹鋼以其良好的力學特性、耐腐蝕性、熱穩定性而廣泛運用于船舶、建筑、醫療等領域[1]。隨著市場對0Cr18Ni9不銹鋼的需求日益增加，以水切割、等離子切割為代表的傳統切割加工方式正暴露出板材利用率低、切割斷面質量差、效率低的缺陷[2]。

從上世紀90年代開始，光纖激光器從電信領域逐步應用至工業領域[3]。與二氧化碳激光器和YAG激光器相比，光纖激光器維護方便、能耗更低。隨著光纖激光切割系統的大規模推廣，市場需求也越來越多樣化。本文以10mm厚度0Cr18Ni9不銹鋼為例，對光纖激光系統切割10mm厚度不銹鋼的工藝特性展開研究。

1 試驗材料、裝置和方法

1.1 試驗材料與化學成分

選擇厚度為10mm的0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼為材料，表面粗糙度為1μm，切割50mm×50mm的方塊工件。其化學成分如表1所示。

表1 0Cr18Ni9的化學成分

1.2 試驗設備

采用江蘇亞威機床股份有限公司生產的HLF-2040激光切割機進行試驗，如圖1所示，該機床采用IPG公司生產的YLS-4000-CUT，BPP≤4；切割頭采用Precitec公司生產的HPSSL切割頭；準直鏡片焦長100mm，聚焦鏡片焦長125mm，焦點位置光束直徑為125μm；焦點位置光束直徑為125μm；粗糙度測量設備為Talysurf-5表面粗糙度測量儀，按照標準ISO4288：1996測量粗糙度；采用游標卡尺測量掛渣量。

圖1 HLF2040激光切割機

1.3 試驗方法

利用HLF2040激光切割機設置不同參數對10mm厚度 0Cr18Ni9不銹鋼板進行切割，對離焦量、切割速度、激光功率等影響切割質量的因素進行系統研究。圖2為切割樣件實物。

圖2 切割樣件

激光切割從原理上可分為三類：激光熔融切割、激光氣化切割和激光氧助切割[4]。不銹鋼材料一般采用激光熔融切割。其原理是在高能激光束與輔助高壓氣體的作用下，金屬受熱融化并克服粘著力從切口下部排出，但仍存在少量熔融金屬沿斷面冷卻凝固，這就形成了切割斷面。因此切割質量的判斷依據分別為：切割斷面傾斜角、切割斷面粗糙度和斷面底部掛渣量。切割工藝參數如表2所示。

2 結果和討論

表2 切割工藝參數

2.1 離焦量和速度對切割質量的影響

在影響加工質量及加工能力的各因素中，影響最大的就是離焦量。相對于加工材料的表面而言，激光束被聚焦后，焦點相對表面的距離被稱為離焦量，在表面上方為正，在表面下方為負。

切割速度也是影響切割質量的因素之一，理想的切割速度使斷面拖曳線細密平穩，下部無熔渣。如果速度過慢，容易使熱影響區變大，材料過熔甚至過燒；速度過快則有可能導致火花飛濺，材料切不透，或者在斷面下部出現掛渣。材料所允許的最大切割速度可以根據能量守恒和熱傳導進行估算[5]，即：

式中：δ為能量吸收率；p為激光輸出功率；w為切割寬度；T為鋼板厚度；p為材料密度；C為材料比熱容；t為熔點溫度；Lf為熔化潛伏熱；m為政法材料量；Lv為氣化潛伏熱。

在切割功率4kW、離焦量-6mm、輔助氣壓16bar情況下，不同切割速度對應的切割斷面如圖3所示。可以看出在恰當的工藝參數下，切割斷面條紋細密有序，拖曳線間隔變小，幾乎無掛渣。

2.2 離焦量和速度對底部掛渣量的影響

在功率4kW、輔助氣壓16bar時，分別按照-5mm、-6mm、-7mm、-8mm的離焦量進行切割試驗。

掛渣如圖3所示尖銳毛刺狀，這是由輔助氣體壓力不足導致，當焦點位置太淺時，上部切縫寬度過窄，不能使足夠的氣體進入切縫內，而此時熔融金屬的黏度較低，會向切縫下方大幅度伸展，形成較銳利的毛刺。

如圖4所示，當離焦量在-6mm和-7mm之間，掛渣量能夠降低至0.5mm。當速度達到1200mm/min時，掛渣量降到最低0.11mm，同時，隨著速度的增加，掛渣量呈先降低后增加的趨勢。

圖3 切割斷面特征

圖4 工藝參數對掛渣量的影響

2.3 離焦量和速度對斷面傾斜角的影響

一般情況下，5mm以下板材的切割處理中，斷面傾斜角不是主要的評估因素，但當板材厚度超過10mm時，切割斷面的傾斜角就變得至關重要。通常，斷面傾斜角會因為加工材料表面對激光束的聚光特性、焦點的設定精度以及離焦量而變化。這里按照切割斷面與上表面的垂直面夾角定義傾斜角。

實驗發現，當離焦量為-5mm和-6mm時，可獲得最快切割速度，最快速度為1300mm/min，切割斷面傾斜角在0.8°左右。

隨著離焦量的增大，斷面傾斜角持續降低。在1000mm/min到1300mm/min速度范圍內，隨著速度的增大，斷面呈逼近垂直趨勢。

圖5 工藝參數度對斷面垂直度的影響

2.4 離焦量和速度對粗糙度的影響

如圖6所示，在本實驗條件下，表面粗糙度最高不超過35μm，通常在20μm左右。離焦量-6mm、速度1200mm/min時，粗糙度最低，為10μm。在其他因素不變的條件下，斷面粗糙度隨速度增大呈先降低后升高趨勢。

圖6 工藝參數度對粗糙度的影響

離焦量-6mm時，在整個速度范圍內，粗糙度最低。

2.5 激光功率對切割質量的影響

在離焦量-6mm，氣壓16bar的條件下，研究激光功率和切割速度對切割質量的影響。

從圖7可以看出，在功率逐漸下降的過程中，切割速度范圍也在逐步縮小，功率3.3kW時，能夠切透的速度只有800mm/min和900mm/min。功率過大時，切縫周圍的熱影響區會變大，掛渣量增大，拖曳線變疏；功率過低時，切割面下部的粗糙度會明顯變差，甚至在切縫下部出現塌陷狀態，掛渣多且硬，去除困難。

如圖7a所示，在800mm/min至1000mm/min速度范圍內，隨著功率的降低，掛渣量也逐步降低；在1000mm/min至1200mm/min速度范圍內，可獲得各功率下的最低掛渣量，最佳速度為1200mm/min，最佳功率值為4kW。

如圖7b所示，在800mm/min至1000mm/min速度范圍內，隨著功率的降低，斷面傾斜角逐漸減小。當功率值4kW，速度1300mm/min時，斷面傾斜角最低為0.79°。

如圖7c所示，在800mm/min至1000mm/min速度范圍內，隨著功率的增大，切割前沿溫度提高，斷面金屬熔融量降低，粗糙度降低。當功率值4kW、速度1200mm/min時，粗糙度最低為10μm；超過粗糙度最低點后，隨著速度的升高，粗糙度會急劇上升。

圖7 激光功率和速度對切割質量的影響

3 結論

（1）保持離焦量-6mm，提高切割速度至1200mm/min，提高功率至3000kW以上時，掛渣量可以降低至1mm，最低為0.11mm。

（2）保持離焦量-6mm，提高切割速度至800mm/min以上，提高功率至3000kW以上時，傾斜角可以降低至0.91°，最低為0.8°。

（3）保持離焦量-6mm，保持速度范圍在800mm/min至1200mm/min內，提高功率至3000kW以上時，斷面粗糙度可以降低至20μm，最低為10μm。

（4）本文通過對10mm奧氏體不銹鋼的切割工藝研究，系統研究了離焦量、切割速度、激光功率等切割參數對斷面傾斜角、粗糙度、掛渣量的影響。結果表明，優化后的割縫掛渣可小于0.11mm，斷面傾斜角小于0.8°，斷面粗糙度小于10μm。本文對奧氏體不銹鋼厚板的切割工藝選取有一定的指導意義。

[1] 任朋立.高品質不銹鋼的應用現狀[J].新材料產業，2014，（7）.

[2] 唐霞輝.激光加工技術的應用現狀及發展趨勢[J].金屬加工熱加工，2015，（4）：35-38.

[3] S.Norman.Latest development of high power fiber laser in SPI[J]. Proc.SPIE，2004，5335：229-237.

[4] 郭華鋒，李菊麗，孫 濤，等.激光切割技術的研究進展[J].徐州工程學院學報（自然科學版），2015，（4）：71-78.

[5] N.Rajaram，Jheik-Admad，S.H.Cheraghi.CO2 laser cut quality of 4130 steel[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture，2003（43）：351-35.

Study on fiber laser cutting technology of 10mm austenitic stainless steel

ZHU Pengcheng，XUE Huajun，LING Bujun，ZHAO Yang
（Jiangsu Key Laboratory of Metal Plate Intelligent Equipment,Jiangsu Yawei Machine Tool Co.,Ltd.,Yangzhou 225200,Jiangsu China）

Based on the factors which influence the laser cutting quality,the 4Kw fiber laser source has been adopted to perform the laser cutting process experiment of 10mm 0Cr18Ni9 stainless steel.The influence of cutting process such as defocusing amount,cutting speed and laser power to the inclination angle, surface roughness and dross height has been systematically studied.The result shows that the optimized inclination angle is less than 0.8°while the dross height is less than 0.11mm and the surface roughness is less than 10μm.

Fiber Laser cutting process；Austenitic stainless steel；Inclination angle；Dross height

TG485

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.01.016

1672-0121（2017）01-0063-04

2016-10-25；

2016-12-01

朱鵬程（1968-），工程師，激光裝備事業部總經理，從事激光加工設備研發及管理。E-mail：zhu.pengcheng@yawei.cc