王立美
国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心 广东省广州市 510555
摘要：
研究现有激光切割不锈钢厚/中厚/薄板工艺中相关因素对切割质量的影响，确定了各情况下的最佳切割工艺参数，对不锈钢钢板的激光切割过程控制提供具有使用价值的相关参考。
关键词：激光切割；不锈钢板材；工艺质量
引言:
随着激光器技术的发展，激光加工设备以加工速度快，柔性化程度、出产效率及加工精度高，加快产品的开发速度等特有的优点应用于激光加工的各个领域。其中，使用激光切割技术来切割板材，相较于传统的机械切割方式具有非接触式加工、高切割效率、切割断面较光滑等等优点，其不受切割图案限制、自动排版、节省耗材、切口平滑顺畅、加工成本低等特点，均使得激光切割工艺逐渐在某些领域取代了传统金属切割技术。因此，激光切割装备与技术大量被应用与开发在各种材质板材的切割上，尤其随着科技的快速发展，不锈钢板的种类越来越多，不锈钢是一种重要的工程材料，其氧化物熔点高、黏度低，不易被氧基燃料火焰法切割，而对于不锈钢板材的切割质量要求越来越高，激光切割正契合了不锈钢板材的切割要求。然而，影响激光切割不锈钢板工艺质量的因素众多，通过认识和分析影响切割质量的各个因素，可以逐渐优化不锈钢板材的切割品质。
一、激光切割不锈钢技术
激光切割主要分为汽化、融化、氧化以及热应力切割四种切割方式[1]。激光切割过程是一个热输入受控的非接触过程，高能密度激光束聚焦在工件表面，通过熔化或蒸发材料来去除材料[2]。与激光束同轴输送的气体射流，协助将蒸发和熔化的材料从切割区喷射出来。用于激光切割的激光源分为脉冲、连续两种模式，其中，连续模式的激光切割加工效率更快，但相对薄板及精密加工要求，脉冲模式对热影响区和切缝质量更为友好。在80年代，首先进入不锈钢切割领域的是二氧化碳激光器，在国内外研究使用二氧化碳激光器在不锈钢厚板切割的文章及报道也较多，鉴于激光技术与激光器的研发和性能密不可分，后续跟进激光技术的日新月异，光纤激光器、Nd∶YAG 脉冲激光逐渐加入到不锈钢钢板的切割领域中，尤其是针对薄板、中厚板以及精密切割。如华中科技大学李祥友团队，在2001年末发表的关于激光精密切割不锈钢薄板的工艺研究，其采用Nd∶YAG 脉冲激光器精密切割不锈钢，并研究了工艺参数对切缝宽度和质量的影响规律，提出了焊缝宽度随功率密度及频率、激光脉宽的增加而增加，在提高激光输出频率的情况下, 质量及速度可双双提高。
二、影响不锈钢激光切割质量的因素
一般来说，评价激光切割金属板材质量是以切口宽度、切口表面粗糙度、热影响区宽度、切口断面条纹、切口断面/下表面有无挂渣为准。其中，与切口宽度相关的的激光参数是激光光斑直径及焦点位置；与粗糙度相关的主要激光参数为板厚、功率、焦点位置及速度；与热影响区宽度相关的因素主要是激光的切割方式及其对应使用的激光器品质；与挂渣相关的激光参数主要为切割速度、激光热输入程度、板材厚度、冷却时间及吹气时间；与条纹相关的则较多，如板厚、气压、整机稳定性、光学元件聚焦情况、切割高度、气流等等均有涉及[3]。
激光切割参数在板材切割工艺中占据重要影响。大体来说，影响切割质量的因素为：其一，激光器、整机结构等硬件造成的误差型因素；其二，激光工艺及其参数等软件造成的因素，如速度、焦距、光斑孔径、辅助气体、激光波长、功率、偏振特性、光束模式、发散角、脉宽、频率等等。针对不同厚度的不锈钢板，每种工艺参数都应设定在相对应的合理范围，如此则可避免出现质量缺陷。
而现实生产中，存在的问题则更多，如切割系统控制程序一般由专业的软件开发公司开发设计，使得激光切割设备具有多样的切割功能，但软件工程师无法充分了解激光切割设备在工程应用中的使用环境，从而导致激光切割设备控制软件的预设工艺参数在实际使用中效果不佳，这也是影响生产中厚板切割质量的问题之一。又如激光对不锈钢的板厚是有限制的，切割厚板时，激光切割速度会下降、其切口的质量会因挂渣、侧向燃烧等等而变差，厚度越大，激光的热损失也越大，随之而来不可避免的速度降低，效率下降，且针对挂渣的影响，以往经验是还应二次加工。
对于厚板的激光切割技术的研究众多学者大多是以新的激光技术及创新工艺来解决，侧重点，大多也是激光器、光学元件及辅助设备等等的开发与改进。
如在使用激光切割不锈钢板材时，直线切割能保证切割质量，但面对转角时，转角位置会过度烧蚀，导致转角切割质量降低，尤其是在切割小角度的锐角时，由于切割路径在转角时重叠，造成激光能量集中，在转角处产生烧角问题。另外，对于厚度在2mm以上的不锈钢板，无论如何调整激光功率、速度、气体流量、直径等等都会在背面形成挂渣，而为避免挂渣等问题，现在的不锈钢板料一般附有保护膜，但是由于激光切割时产生的高温，容易导致保护膜溶解，使溶解物附着在不锈钢板材表面，增加了待切割厚度，由于激光参数预先设定，导致原定的激光功率无法切穿钢板，从而导致产生废件的产生。在切割不锈钢板的过程中，切割表面产生的小切口是激光束产生拖尾现象导致的，在激光头连续的切割行进过程中，激光束末端的光弧在产品表面造成一定烧蚀，导致切割表面粗糙，造成废件的产生，而采用脉冲打孔方式，激光切割时在物品表面逐一连续打孔，就避免了拖尾现象的发生。另外，在切割转角时，按照所需切割的图案，计算切割方式并调整切割参数，采用直线连续切割，激光束不会在转角处长时间停留，避免了转角切割时不锈钢温度升高，造成过度烧蚀问题，也能较好的提高切割质量。
三、对于不同厚度不锈钢板激光切割参数的研究现状
Hsu等[4] 用二氧化碳激光器对6mm的304不锈钢进行切割时，激光功率1200W，切割速度为0.8m/min的情况下，切割质量较好。Ove Olsen等[5]揭示了在2mm不锈钢激光切割时，切割速度0.6m/min，切割功率400W是毛刺最少的工艺参数。K Rajesh [6]发现通过回归模型发现切缝宽度随切割速度和激光功率的增大而增大，激光功率为600 W，切割速度为2 000 mm /min，气体压力为0.05 MPa时，切缝宽度最小。A Parthiban等[7]研究了采用CO2激光切割不锈钢薄板时，随着光束功率和气压的增加，顶部切口宽度逐渐增大，在高功率3.5～4 kW时顶部切缝宽度最大；在最大切割速度和光束功率下，底部切口宽度最小，而中等切割速度和中等气压下，底部切口宽度最大。另外，对于水下激光切割不锈钢板，李倩等研究了在氩气辅助下利用光纤激光器，以１５００Ｗ 激光功率和３００ｍｍ／ｍｉｎ切割速度切割水下５ｍｍ处的１ｍｍ厚３０４不锈钢板获得的切缝最为平整，切割质量最佳。且还获知光纤激光切割效率和质量随着水层的增加、水温的降低、水中盐度的增加而降低；水层过厚和水温低会加速钢板冷却，盐水中众多离子吸收激光能量，都会大大损耗激光能量。除她之外，国内外还有众多学者，采用5kw二氧化碳激光器、5kw光纤激光器、500w的Nd-YAG脉冲激光器、200w的二氧化碳激光器对10mm后的316L不锈钢、32mm厚的不锈钢、4-20mm厚的304不锈钢在水下进行有辅助气体或无辅助气体的切割试验，研究了激光水下切割不锈钢板最优切割质量的最佳工艺参数[8]。
四、小结
以上激光切割不锈钢工艺质量影响因素的分析研究，旨在介绍现阶段激光切割技术在薄、中厚、厚不锈钢板材中的应用时出现的问题以及解决方法，在激光技术不断日新月异的今天， 激光切割技术将会在不同种类、不同厚度不锈钢板材的高质量加工中占用更高、更重要的地位。
参考文献：
[1] 陈继明，徐向阳，肖荣诗.激光现代制造技术.北京：国防工业出版社，2007:1-2.
[2] M Boujelbene.Influence of the CO2 laser cutting process parame?ters on the Quadratic Mean Roughness Rq of the low carbon steel[J].Procedia Manufacturing,2018(20):259-264.
[3] 郑磊.不锈钢薄板光纤激光切割工艺研究. [D].济南大学,2017.
[4] Hsu M J, Molian P A．Off-axial, gas-jet-assisted, laser cutting of 6.35mm thick Stainless steel[J]．Journal of Engineering For Industry,1995,117:272-276.
[5] Ove Olsen，Klaus SchueR．Multibeam fiber laser cutting[J]．Joumal of Laser Applications，2009，21：133-138.
[6] K Rajesh, V V Murali Krishnam Raju, S Rajesh, et al.Effect of process parameters on machinability characteristics of CO2 la ser process used for cutting SS-304 Stainless steels[J].Materi?als Today: Proceedings,2019,18(6):2065-2072.
[7] A Parthiban, M Chandrasekaran, V Muthuraman, et al.Optimi?zation of CO2 Laser Cutting of Stainless Steel Sheet for CurvedProfile [J]. Materials Today: Proceedings, 2018, 5(6) :14531-14538.
[8] 李倩,孙桂芳,卢轶,张永康.光纤激光水下切割1mm厚304不锈钢的实验研究.中国激光.2016.