關(guān)雷，史子木，舒勝威

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，浙江溫州325003）

YAG激光切割冷軋鋼板的工藝參數(shù)研究

關(guān)雷，史子木，舒勝威

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，浙江溫州325003）

實(shí)驗(yàn)使用YAG脈沖激光切割機(jī)切割Q235薄冷軋鋼板?；诩す馇懈罾碚摚捎谜辉囼?yàn)對(duì)激光切割工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以切口寬度和切口的表面粗糙度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)比得出切割0.7 mm、1.0 mm、1.5 mm厚的Q235冷軋鋼板的最優(yōu)切割參數(shù)。

激光切割；工藝參數(shù)；切割質(zhì)量

0 引言

激光切割被認(rèn)為是激光應(yīng)用技術(shù)中最成熟的工藝，在汽車制造、電氣機(jī)殼、各種金屬零件和特殊材料的切割等領(lǐng)域廣泛使用[1]。激光切割不僅切割速度快、精度高，而且熱影響區(qū)面積小、切口窄、斷面光滑。激光切割加工過程非常復(fù)雜，影響因素有很多[2]。如果加工工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，其切割質(zhì)量必然會(huì)受到很大影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究選用的是Q235冷軋鋼板(厚度分別為0.7 mm、1.0 mm、1.5 mm)。Q235冷軋鋼板是一種普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有冶煉容易，工藝性好，價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，而且在力學(xué)性能上也能滿足一般工程結(jié)構(gòu)及普通機(jī)器零件的要求，在世界各國得到廣泛應(yīng)用。該板材的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示。

表1 Q235冷軋鋼板的化學(xué)成分

表2 Q235冷軋鋼板的力學(xué)性能

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)所用儀器如表3所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

使用YAG脈沖激光切割機(jī)切割不同厚度的Q235冷軋鋼板，切割速度為10 mm/s，氮?dú)庾鳛檩o助氣體，氣壓為1 MPa，電流、脈寬、頻率根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件而定。

表3 實(shí)驗(yàn)所用的儀器

樣品的切割過程如圖1所示。樣品為邊長(zhǎng)50 mm的正方形，在正方形里有二條長(zhǎng)35 mm的切縫。切割完成后分別用塞尺和金相顯微鏡在切口上隨機(jī)選三個(gè)點(diǎn)測(cè)量其寬度，取平均值并記錄。然后將樣品沿切縫掰開，用金相顯微鏡觀察其切口斷面。

圖1 切割過程的示意圖

2 結(jié)果討論與分析

2.1 激光切割0.7 mm厚冷軋鋼板的正交實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用三因素三水平的正交試驗(yàn)方案，如表4所示。選擇電流、脈寬、頻率為三個(gè)主要考察因素，其中電流選擇150 A、160 A、170 A三個(gè)水平，脈寬選擇0.5 ms、0.6 ms、0.7 ms三個(gè)水平，頻率選擇150 Hz、160 Hz、170 Hz三個(gè)水平。

表4 激光切割0.7 mm鋼板的正交試驗(yàn)表

根據(jù)正交試驗(yàn)表，對(duì)0.7 mm的Q235冷軋板進(jìn)行切割，切割情況及切口寬度如表5所示。由表4我們可以看出，第1、2、4、7組試驗(yàn)參數(shù)不能將0.7 mm的冷軋板切透。其中第1、4、7組的脈寬都為0.5 ms，這是由于脈寬過小，功率密度不夠，能量不足以融化金屬所導(dǎo)致的切不透[3]。表5中，每組用金相顯微鏡測(cè)量的切口寬度與最相近的塞尺尺寸一致，這說明數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差小。為提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，本實(shí)驗(yàn)每一參數(shù)切割二條直線，切口寬度記為A和B。從數(shù)據(jù)中可以看出，切縫寬度A和B相差在4 μm～24 μm之間，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較高；切口寬度在243 μm～351 μm之間，與文獻(xiàn)報(bào)道的227 μm～385 μm基本一致[4]。其中第5組切口寬度最?。ˋ，B切縫平均值241 μm），切割參數(shù)為電流160 A，脈寬0.6 ms，頻率160 Hz。

表5 激光切割0.7 mm鋼板的切口寬度數(shù)據(jù)表

切口表面的粗糙度也是衡量切口質(zhì)量的重要因素之一，觀察上述實(shí)驗(yàn)樣品的切口斷面條紋對(duì)比表面粗糙度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參見圖2。由圖2我們可以看出，樣品的上表面比較光滑，下表面有少許掛渣。特別是第3組中，出現(xiàn)細(xì)齒狀毛刺，細(xì)齒邊緣鋒利附著在切割面下側(cè)。這可能是切割速度過快，熔渣流呈噴射狀向切割方向的后方流動(dòng)時(shí)，向后的傾斜角偏大，一部分熔渣粘附到工件底面所致的[5]。在第6組和第8組中，還出現(xiàn)了不同程度的蝕損現(xiàn)象。但從切口斷面的條紋來看只有第3組樣品的條紋之間距離窄，垂直方向垂直度好。其它樣品上部條紋較細(xì)，下部較亂，總體粗糙度不好。綜合考慮，第3組的切口斷面條紋是最好的。

圖2 激光切割0.7 mm冷軋鋼板的切口斷面金相顯微鏡照片（其中左上角為樣品序號(hào)）

2.2 激光切割1.0 mm厚冷軋鋼板的正交實(shí)驗(yàn)

為了能確保切透1.0 mm的冷軋鋼板，我們把正交試驗(yàn)的電流值調(diào)整為160 A、170 A、180 A，脈寬調(diào)整為0.6 ms、0.7 ms、0.8 ms，頻率調(diào)整為160 Hz、170 Hz、180 Hz。正交試驗(yàn)方案如表6所示。

表6 激光切割1.0 mm鋼板的正交試驗(yàn)表

按照表6的試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)1.0 mm的冷軋板進(jìn)行切割，切割情況和切口寬度如表7所示。從表7我們可以看出，除第1組沒切透外，其余組都能切透。在切割0.7 mm冷軋板時(shí)，每組用金相顯微鏡測(cè)量的切口寬度與最相近的塞尺尺寸是一致的。但在1.0 mm的冷軋板切割時(shí)，第4組的切縫B用金相顯微鏡測(cè)量是250 μm，最接近的塞尺是250 μm，而實(shí)際測(cè)量值為200 μm。第5組的切縫B用金相顯微鏡測(cè)量值是301 μm，最接近的塞尺是300 μm，而實(shí)際測(cè)量值為250 μm。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)榍懈畎宀牡暮穸仍黾?，切縫會(huì)形成上寬下窄的V形閉口[5]。金相顯微鏡測(cè)量的是樣品的上表面，而用塞尺測(cè)量切縫，塞尺必須穿透整個(gè)樣品，也就是測(cè)量較窄的下表面切縫寬度。這樣就會(huì)出現(xiàn)上述用金相顯微鏡測(cè)量的切口寬度與最相近的塞尺尺寸不一致的現(xiàn)象。表中，切縫A和切縫B相差在3 μm～37 μm之間，切縫寬度在241 μm～363 μm之間，比切割0.7 mm冷軋板時(shí)都有所增加，這可能是由于板材厚度增加引起的。其中第4組切口寬度最?。ˋ，B切縫平均值245.5 μm），切割參數(shù)為電流170 A，脈寬0.6 ms，頻率170 Hz。

表7 激光切割1.0 mm鋼板的切口寬度數(shù)據(jù)表

圖3 激光切割1.0 mm鋼板的切口斷面金相顯微鏡照片（其中左上角為樣品序號(hào)）

用金相顯微鏡觀察切口斷面的條紋，數(shù)據(jù)如圖3所示。在圖中可以看出，第3組樣品有明顯的細(xì)齒狀毛刺，其余組均無明顯掛渣現(xiàn)象。第3組和第7組的斷面有明顯的蝕損現(xiàn)象。第2、4、5組的切口斷面條紋垂直度不好，而且上部條紋較細(xì)，下部較粗。綜上所述，第6、8、9組表面粗糙度較好，條紋之間距離窄，垂直方向垂直，難分伯仲。

2.3 激光切割1.5 mm厚冷軋鋼板的正交實(shí)驗(yàn)

對(duì)1.5 mm冷軋板切割時(shí)，我們將電流調(diào)整為170 A、180 A、190 A，脈寬調(diào)整為0.6 ms、0.7 ms、0.8 ms、頻率調(diào)整為160 Hz、170 Hz、180 Hz。具體試驗(yàn)方案如表8所示。

表8 激光切割1.5 mm鋼板的正交試驗(yàn)表

表9 激光切割1.5 mm鋼板的切口寬度數(shù)據(jù)表

使用表8中的參數(shù)對(duì)1.5 mm冷軋板進(jìn)行切割，切割情況和切口寬度如表9所示。從表中可以看出，各組中鋼板均被切透。第4組出現(xiàn)了金相顯微鏡測(cè)量的切口寬度與最相近的塞尺尺寸不一致的現(xiàn)象。表中，切縫A和B相差在2 μm～22 μm之間，切縫寬度在211 μm～399 μm之間。最窄切縫寬度是第1組（切縫A和B平均值219 μm），電流170 A、脈寬0.6 ms、頻率160 Hz。

切口斷面的形貌如圖4所示。九組樣品中均無掛渣。除第1組外，其它組都呈現(xiàn)出上部條紋之間距離窄，下部條紋之間距離寬，上部和下部條紋有明顯界限，切口斷面還有不同程度的蝕損，這和板材厚度增加有關(guān)系。總體來看，第1組樣品表面粗糙度最好，條紋之間距離較窄，垂直方向垂直。

圖4 激光切割1.5 mm鋼板的切口斷面的金相顯微鏡照片（其中左上角為樣品序號(hào)）

3 結(jié)論

通過正交試驗(yàn)，切割0.7 mm、1.0 mm、1.5 mm厚的Q235冷軋鋼板：

以切口寬度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，最優(yōu)切割參數(shù)的電流、脈寬、頻率分別是：（電流160 A，0.6 ms，160 Hz）、（電流170 A，脈寬0.6 ms，頻率170Hz）、（電流170 A、脈寬0.6 ms、頻率160 Hz）。隨著板厚的增加，切縫會(huì)形成上寬下窄的V形閉口。

以切口的表面粗糙度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，最優(yōu)切割參數(shù)的電流、脈寬、頻率分別是：（150 A，0.7 ms，170 Hz）、（170 A，0.8 ms，160 Hz或180 A，0.7 ms，160 Hz或180 A，0.8 ms，168 Hz）、（170 A、0.6 ms、160 Hz）。切割1.5 mm鋼板時(shí)，以切口寬度和以切口表面粗糙度為衡量標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)參數(shù)是一樣的，但其它組均不同。

[1]茍剛,劉勇.淺論固體激光切割加工效果的影響因素[J].科技視界,2014,4(22):80,319.

[2]鄢銼,李力鈞,李娟,等.激光切割板材表面質(zhì)量研究綜述[J].激光技術(shù),2005,29(3):270-274.

[3]尹桂敏,李占國,史堯臣.YAG激光切割不銹鋼薄板的工藝參數(shù)研究[J].機(jī)床與液壓,2013,41(23):53-56,72.

[4]佟明,王維,楊光,等.板材激光切割表面質(zhì)量影響因素的實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010,48(10):121-123.

[5]葉建彬,戴春祥.激光切割技術(shù)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2012:114-115.

（責(zé)任編輯：王文深）

Study on Technological Parameters of YAG Laser Cutting Cold Rolled Steel Sheets

GUAN Lei,SHI Zi-mu,SHU Sheng-wei
(Department of Material Engineering,Zhejiang Industry&Trade Vocational College,Wenzhou,325003,China）

Q235 cold rolled steel sheets are cut by YAG pulse laser in this experiment.We optimize the process of laser cutting with orthogonal test depend upon the theory of laser cutting.Summarizing optimal cutting quality and the best process parameters of cutting 0.7,1.0,1.5 mm cold rolled steel sheet should be reached by measuring the joint-cutting width and comparison the surface roughness of incision.

laser cutting;technological parameter;cutting quality;

TG485

A

1672-0105（2014）04-0064-05

10.3969/j.issn.1672-0105.2014.04.017

2014-10-20

關(guān)雷（1988—），男，黑龍江省七臺(tái)河人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要研究方向：激光加工設(shè)備工藝參數(shù)優(yōu)化，納米材料合成與應(yīng)用。