不銹鋼薄板光纖激光切割優化實驗

鄭 磊，張清萍

(濟南大學 機械工程學院，山東 濟南 250022)

不銹鋼薄板光纖激光切割優化實驗

鄭 磊，張清萍

(濟南大學 機械工程學院，山東 濟南 250022)

激光切割是一個復雜的過程。為了研究光纖激光對304不銹鋼薄板切割質量的影響，發現工藝參數對切割指標的影響規律，得到最優切割工藝參數，本文利用光纖激光器對1mm、2mm、3mm厚度的304不銹鋼進行了激光切割實驗。通過軟件設計實驗、板材切割、數據采集、軟件分析等過程，利用三維曲面表達結果。實驗表明：掛渣量的多少主要取決于焦點與功率，且兩者都存在一個最佳范圍；切縫寬度的大小主要取決于板厚與功率；粗糙度的大小主要取決于功率和焦點，兩者也存在一個最佳范圍；條紋間距主要取決于氣壓和功率，最終得到切割3種不同厚度板材的最優參數。

激光切割；304不銹鋼；優化實驗；響應曲面

激光作為20世紀的產物，與諸多偉大的發明一起成為舉世矚目的重大科研成就[1]。激光切割無論在硬件機床還是軟件切割工藝方面都在不斷完善。由于激光切割具有諸多優勢，因而在板材加工方面替代了很多傳統加工方法[2]，而且目前激光切割市場旺盛，人們已接受這種新型、高效的加工方式，其創造的經濟效益已有目共睹[3]。陳聰等人[2]利用光纖激光切割機對AA6061鋁合金做了實驗分析，得到激光功率是影響切割質量的關鍵因素。Ove Olsen，Flemming[3]在CO2激光器切割2mm不銹鋼實驗中發現切割速度0.6m/min，切割功率400W是毛刺最少的工藝參數。影響激光切割質量的因素很多，主要有切割速度、切割功率、切割氣壓、焦點、噴嘴孔徑。切割指標主要包括切縫寬度、粗糙度、熱影響區寬度、切面條紋、掛渣[4]。本文利用光纖激光切割機對304不銹鋼薄板進行切割實驗，研究工藝參數對切割指標的影響規律，并找出切割板材的最優工藝參數。

1 實驗方案

本次實驗利用武漢銳科RFL-C系列光纖激光器，并借助Design-expert軟件，通過響應曲面法[5]找到設計最優點。首先把切割指標數量化，掛渣高度、粗糙度數值、切縫寬度以及條紋間距。Design-expert軟件是通過輸入各因素低水平到高水平自動生成實驗安排，然后進行實驗，測得實驗數據按照順序填入軟件數據表中，計算可得到切割指標和各參數之間的多元二階模型函數及最優工藝參數。

2 實驗過程

2.1 切割參數分配

本實驗需要考察的因素即為切割參數，分別為切割速度(m/min)、切割氣壓(Pa)、切割焦點(mm)、切割功率(W)。在試驗設計中需要輸入各因素參數的高低水平即參數取值范圍，而且輸入的參數必須保證在最優參數附近。由于板材厚度不同，各參數范圍是不同的。參數分布如表1所示。

表1 參數分配表

2.2 現場切割實驗

分別采用500W，750W，1200W功率激光器對1mm、2mm、3mm厚度的304不銹鋼進行分組切割實驗，切割高度0.8mm，噴嘴口徑1mm，輔助氣體氮氣，工件大小50mm×50mm。根據實驗安排每種厚度的板材需要進行29次試驗。

2.3 實驗數據采集

2.3.1 掛渣高度試驗

首先對材料厚度進行測量，測量前先把表面污垢擦干凈。采用間接法，先測量工件厚度，然后測量掛渣量與工件的總體厚度，利用減法測出掛渣高度。

2.3.2 粗糙度測量試驗

本次測量采用距下緣1/3(工件厚度)處的粗糙度為基準，取樣長度30mm。測量面為切割外輪廓下表面，在30mm范圍內滑動粗糙度測量儀，通過傳感器使觸針發生位移，測量結果顯示在液晶顯示器上[6]。

2.3.3 切縫寬度以及切面條紋測量試驗

利用超景深顯微鏡細致觀察切割形貌，通過深度合成按鈕，形成3D切割形貌，能很清晰地觀察切割形貌上凹凸情況。然后應用比例尺，得出條紋與條紋之間的距離來反映切割形貌，還能得到切縫寬度。

3 結果分析

由于參數影響規律在不同板厚的情況下一致，因此選擇切割2mm不銹鋼進行分析。規定A、B、C、D分別代表切割速度、切割氣壓、焦點、切割功率，得出實驗指標與切割參數之間的影響規律。

3.1 掛渣量

如圖1所示為切割參數對掛渣量的影響規律，從圖中可以看出切割功率與焦點圖線為V字形，在一定的切割條件下，焦點與切割功率存在最佳范圍，在這個范圍內切割面掛渣量能達到最小，偏離最佳范圍，掛渣量都會增多。而切割速度增大會使掛渣量增多，切割氣壓增大會使掛渣減少。

圖1 掛渣量參數影響

通過兩因素交互等高線圖以及曲面圖可更形象地看出各因素對于實驗指標不同的影響程度[60]，如圖2所示。從圖2a看出切割功率對掛渣量的影響較為顯著且以900W為中心存在一個最佳功率，功率或大或小都會使掛渣量增多，功率過大熔融金屬未被輔助氣體完全吹干凈，功率過小熱輸入不足，熔融產物的溫度越低，黏度越大，有些金屬滯留在切面下緣，產生掛渣。調整切割氣壓的效果不如調整功率，且隨著氣壓的增大，最佳切割功率將會升高。由圖2b得知，隨著焦點的降低，掛渣量將有些許增多，切割速度對掛渣量的影響程度最小。由兩圖對比可知切割功率是影響掛渣量的關鍵因素，因此如果出現大量掛渣的切割缺陷情況，可優先考慮調整功率。

圖2 因素交互對掛渣影響

3.2 切縫寬度

切割參數對切縫寬度的影響規律，如圖3所示。切割速度、氣壓以及焦點的顯著性明顯不如切割功率。切割功率變大會直接影響切縫變寬。

圖3 切縫寬度因素影響

因素交互作用對切縫寬度的影響，如圖4所示。從圖4a得知在適當加快切割速度時切縫減小，在切割較厚的板時，切速降低，光斑停留時間長，就會使材料上層的切縫寬度遠遠大于光斑直徑。從圖4b得知焦點下降會使切縫略微變寬，焦點越深入板材會使切縫變寬。一般的，切割薄板時焦點處于表面，這時切縫是最窄的，但由于要求切割質量效果好，就會把焦點深入板材，一般為板材厚度1/2，但這會導致楔形切口的產生，切縫變寬。切割功率對于切縫的影響是極其顯著的，功率是影響切縫寬度的關鍵因素，功率變大會使焦點處的集中光束能量急劇增高，材料受熱融化快，致使切縫變寬。若熔融的粘性金屬未能被氣體完全吹除，就會在切縫處自然凝固，嚴重影響切面質量。為使切縫盡可能小，在板材允許切透的前提下，使用低功率激光器。

圖4 因素交互作用對切縫寬度影響

3.3 粗糙度

切割參數對粗糙度的影響規律如圖5所示，從圖中可以看出功率是影響粗糙度的關鍵因素。

圖5 粗糙度因素影響

切割源產生熱量使金屬融化在輔助氣壓的作用下，金屬材料克服表面張力和黏著拉力，大部分融化的材料被吹除，但切割邊緣仍有小部分材料附著在切割表面，就會產生粗糙度的問題，因素交互作用影響規律曲面如圖6所示，可以看出焦點是影響粗糙度顯著的一個因素，但焦點也存在一個最佳范圍，只有在這個范圍內粗糙度才會最好。在切割金屬的表面上部和下部的并不相同，越往下端粗糙度越大。一般焦點位置激光光束集中能量高，粗糙度最小，遠離焦點都會增加表面粗糙度。同時功率和切割速度分別以798W和4.32m/min為中點存在一個最佳范圍，功率過小就會產生掛渣，過大就會產生過燒，只有在中間無缺陷區粗糙度最好。氣壓的影響程度較小。因此為了調整粗糙度，優先調整焦點和功率。

圖6 因素交互作用對粗糙度影響

3.4 條紋間距

切割參數對條紋間距的影響規律如圖7所示。由圖可見功率和切割氣壓增大都會使條紋間距減小。

圖7 條紋間距因素影響

切割面上部條紋較細密，且無規則性[61]，因此主要研究第二層條紋，從圖8可以看出切割氣壓及激光功率是影響條紋間距的顯著因素，切割速度與焦點對條紋間距有輕微影響，且隨焦點提高，條紋間距增加。從圖8a看出隨著氣體壓力的升高條紋間距明顯減小，從圖8b看出隨著激光功率的增加，條紋間距也是明顯減小。條紋間距小，切面就越光潔，因此提高切割亮面，應優先考慮增大功率和增大氣壓。

經過數據統計軟件分析，在以掛渣量最少，切縫最窄，粗糙度最小，條紋間距最小的情況下得出切割3種不同厚度板材的最優參數，如表2所示。

表2 最優切割參數

4 結論

本文通過對304不銹鋼薄板進行光纖激光切割實驗，利用響應曲面法得到各參數對切割指標影響規律的等高線圖及響應三維圖，得到以下結論：

(1)掛渣量的多少主要取決于焦點與功率，且兩者都存在一個最佳范圍；切縫寬度的大小主要取決于板厚與功率；粗糙度的大小主要取決于功率和焦點，兩者也存在一個最佳范圍；條紋間距主要取決于氣壓和功率，因此在調整切割缺陷的時候可以優先考慮調整主要因素。

(2)利用光纖激光切割304不銹鋼時最優工藝參數為：1mm厚度不銹鋼，切割速度12.48m/min、切割氣壓2.3MPa、焦點-0.24mm、切割功率673W；2mm厚度不銹鋼，切割速度4.56m/min、切割氣壓2.44MPa、焦點 -0.84mm、切割功率 833W；3mm厚度不銹鋼，切割速度2.1m/min、切割氣壓1.8MPa、焦點-1.63mm、切割功率1020W。

圖8 因素交互作用對條紋間距影響

[1] 江海河.激光加工技術應用的發展及展望[J].光電子技術與信息，2001，(4).

[2] 安存勝，聶福全.薄板數控激光切割工藝特點及設備[J].工程機械，2013，(2)：46-50.

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[4] 陳 聰，高 明，王 磊，等.AA6061鋁合金薄板光纖激光切割工藝研究[A].中國機械工程學會焊接學會第十八次全國焊接學術會議論文集--S06切割[C].南昌，2013.

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[7] 譚 波.響應曲面法優化激光打孔工藝參數的研究[D].武漢：華中科技大學，2011.

[8] 劉 斌，馮其波.表面粗糙度測量方法綜述 [J].光學儀器，2004，26：54-58.

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Optimized test of fiber laser cutting process for stainless steel sheet

ZHENG Lei,ZHANG Qingping
(School of Mechanical Engineering,University of Jinan,Jinan 250022,Shandong China)

The fiber laser resource has been adopted to conduct laser cutting test to the 304 stainless steel sheets with 1mm,2mm,and 3mm thickness in the text.Through software designing test,sheet cutting,data collecting,and software analysis process,the results have been expressed by use of three-dimension shape.The test shows that adhering slag quantity depends on focal point and power,both of which have one best range;the size of kerf width primarily depends on sheet thickness and power;the roughness chiefly depends on the power and focal point,both of which have a best range;the fringe gap depends on air pressure and power.Finally,the optimized parameters for the sheet with three different thickness have been obtained.

Laser cutting;304 stainless steel;Response to curved surface

TG485

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.012

1672-0121(2017)05-0041-05

2017-05-04；

2017-06-11

鄭 磊(1992-)，男，碩士在讀，主攻機械裝備設計與分析。E-mail：1024214820@qq.com