激光切割加工不銹鋼研究

張華

摘 要：文章介紹了激光切割加工的特點，結(jié)合激光切割不銹鋼的實例，為激光加工金屬零件提供了試驗方法。

關(guān)鍵詞：激光切割；重熔層；異形孔；不銹鋼

前言

激光切割技術(shù)是采用激光束集中照射到材料表面，利用釋放的能量使材料熔化并蒸發(fā)的一項技術(shù)。由于激光切割能量非常集中，只有少量的能量傳遞到金屬其他部分，所以這種加工方式產(chǎn)生的變形很小。

激光切割在民用產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用，如原材料下料、金屬及非金屬零件加工、裝飾、廣告和服務(wù)行業(yè)等。在航空業(yè)中，某些具有異性孔或其他形狀特征的復(fù)雜零件，采用傳統(tǒng)銑削工藝難以加工，激光切割利用其優(yōu)勢，能很好地解決這種問題。但由于激光加工容易在被加工零件加工區(qū)域形成裂紋和重熔層，因此，對激光加工技術(shù)的應(yīng)用抱有謹(jǐn)慎態(tài)度。文章重點對激光加工不銹鋼零件進(jìn)行了研究。

1 激光切割原理

激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超過激光閥值的激光功率密度前提下，激光束的能量以及活性氣體輔助切割過程所附加的化學(xué)反應(yīng)熱能全部被材料吸收，由此引起激光作用點的溫度急劇上升，達(dá)到沸點后材料開始?xì)饣?，并形成孔洞，隨著光束與工件的相對運動，最終使材料形成切縫，切縫處的熔渣，被輔助氣體吹除。金屬對激光有很好的吸收性，因此，可以對幾乎所有的金屬進(jìn)行激光加工。

根據(jù)激光切割原理，激光切割有以下特點：激光切割技術(shù)加工零件不需與零件接觸，切縫窄，切口位置度好，加工精度高；切削速度高，自動化程度高。

2 激光切割機參數(shù)分析

試驗使用的設(shè)備是Lasertec80FC，其中影響重熔層的關(guān)鍵參數(shù)有：電壓、頻率、脈沖、進(jìn)給速度和噴嘴距離，其中電壓和頻率對結(jié)果的影響比較大。使用此設(shè)備需對一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

激光電壓：決定激光束的功率的原因之一，電壓越大，功率越大。

激光頻率：每秒激光脈沖的個數(shù)，決定激光束的功率原因之一。

進(jìn)給速度：激光束在當(dāng)前點的持續(xù)切割時間與切割頭在材料平面上的移動速度成反比。速度越高，持續(xù)時間越短，反之亦然。切割速度的選擇要和材料材質(zhì)和厚度相關(guān)，高于一定的速度，材料將不被切透，低于一定的速度，材料熔化過多會造成重熔層過厚、氧化層過厚等多種缺陷產(chǎn)生。

噴嘴高度：激光束通過透鏡在噴嘴下方聚集，功率密度和照射在材料上的光斑面積成反比。焦點處功率密度最大，因此，切割頭距切割表面的高度不僅影響平面聚焦面積，同時影響在當(dāng)前的能量密度。

3 激光切割設(shè)備調(diào)試及試驗

3.1 激光切割設(shè)備參數(shù)調(diào)試

電壓和頻率是影響影響功率的主要隱私，在使用設(shè)備加工前，需要對激光切割設(shè)備的性能參數(shù)有大致了解。因此，激光切割前，調(diào)試上述參數(shù)，對功率值進(jìn)行了檢查。圖1是在Lasertec80FC上的性能試驗參數(shù)圖表，描述了電壓和頻率與功率之間的相互關(guān)系。

圖1 Lasertec80FC電壓和頻率與功率之間的相互關(guān)系示意圖

從圖1的數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)電壓增大時功率和能量均增大，但并非嚴(yán)格的正比關(guān)系。在實際加工中，功率不足時，需要調(diào)節(jié)電壓和功率以及其他參數(shù)提高功率，不可單一的調(diào)節(jié)某項參數(shù)來提高。參數(shù)調(diào)整的順序是首先選擇合適的脈寬和電壓，輸入一個較低的頻率值，然后進(jìn)行試切。按照不同的要求，逐步增加頻率值，是功率提高，如不能達(dá)到要求，重新選擇脈寬和電壓。

3.2 激光切割試驗要求

文章對厚度為1mm和3mm不銹鋼材料1Cr17Ni3的零件進(jìn)行了激光切割。根據(jù)激光切割的原理，激光在零件的入口端會有較大的重熔層，在出口端的重熔層厚度較小。圖2是激光切割重熔層的示意圖。根據(jù)經(jīng)驗，制定了激光切割對重熔層的要求，如表1所示。

表1 激光切割對重熔層要求（單位：mm）

圖2 激光切割重熔層示意圖

3.3 激光切割試驗步驟

首先編制工藝路線，工藝路線基本為：試片下料，激光切割，金相檢驗。然后對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，對試片進(jìn)行試切，確定切割的最低功率。按照設(shè)備各參數(shù)的相互聯(lián)系，選擇幾項不同的參數(shù)組合。金相試驗是垂直于切割方向剖切加工的試片，露出試片激光切割的部分，制作鑲樣試樣，并精密磨削鑲樣試樣表面，提高鑲樣試樣表面光潔度，對鑲樣試樣表面進(jìn)行酸液腐蝕，使得重熔層部分和基體材料部分的顏色不同，這樣在顯微鏡下觀察，重熔層部分和基體材料部分有明顯的一條界線，在讀數(shù)顯微鏡下可以直接得到重熔層厚度值。

3.4 參數(shù)確定

通過若干輪的工藝試驗，并結(jié)合金相分析，得出了較為理想的機床參數(shù)，并且重熔層仍在合格范圍內(nèi)。

最終確定的試驗參數(shù)如表2。

表2

4 結(jié)束語

激光切割在航空加工中屬于特種加工工藝技術(shù)，其加工參數(shù)影響表面完整性和零件壽命。文章通過對激光切割機床參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，得出了激光切割設(shè)備各參數(shù)相互關(guān)系，為激光切割試驗的參數(shù)調(diào)整提供了參考依據(jù)。通過編制工藝路線，確定了激光切割試驗的基本步驟。在激光切割試驗中，通過選擇不同參數(shù)進(jìn)行試驗，得出了不同參數(shù)下重熔層的厚度，并最終確定了激光切割加工參數(shù)。激光切割試驗中需對零件進(jìn)行理化分析重熔層厚度。文章使用激光切割機進(jìn)行若干工藝試驗，調(diào)試出加工效率較高的加工參數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊玉榮等.δ相對GH4169合金高溫持久性能的影響[J].航空材料學(xué)報，1996，16（2）：38-42.

[2]王云.航空發(fā)動機原理[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.