激光低速切割对热影响区宽度和表面粗糙度的影响

王调品

（成都工业职业技术学院机电工程系，四川 成都 610218）

激光低速切割对热影响区宽度和表面粗糙度的影响

王调品

（成都工业职业技术学院机电工程系，四川 成都 610218）

设计AISI 316L不锈钢激光低速切割实验，研究在较低切割速度条件下，切割表面热影响区宽度和表面粗糙度的变化规律，提出适用于生产制造的激光切割工艺参数。研究发现：切割速度对表面粗糙度、热影响区宽度和表面宏观缺陷有显著影响；随着切割速度的降低，热影响区宽度随之增加；如果对切割表面的表面质量要求不高，且不再对切割表面进行再加工，建议采用最大切割速度；如果对表面质量要求高于对热影响区宽度的要求，则建议采用低于最大切割速度的切割速度。

激光低速切割；热影响区；表面粗糙度；工艺参数

0 前言

激光切割技术广泛应用于工业领域，它和磨料水射流技术被誉为发展最快、影响力最大的两大现代材料切割技术[1]。激光切割技术具有切割精度高、切缝小、激光束垂直于工件表面、刃峰锋利、工具无磨损及对热影响区影响较小等优点[2]。激光切割可用于切割不同的材料，如镍合金、铝合金和立方氮化硼等[3]。采用激光切割通常能获得较好的表面质量，主要由加工工艺参数决定，如材料类型、材料厚度、激光器类型和电源、隔绝距离、切割速度、辅助气体和压强选择等[4]。Thombansen等人提出带有传感器的激光切割设备可将工件切割表面质量提高数倍[5]；Ket等人提出可通过声波发射检测激光切割质量[6]；Stelzer等人采用CO2和光纤激光进行不同厚度的不锈钢板的最大切割速度实验[7]，指出激光切割速度是影响切割表面粗糙度和热影响区宽度的主要因素之一；Cekic等人进行激光切割速度对比实验，提出采用N2辅助气体切割AISI 304不锈钢，随着切割速度的增大，表面粗糙度值降低、热影响区宽度减小。以上均是对切割速度超过额定最大速度进行研究，在此研究切割速度低于最大切割速度时的切割表面质量和热影响区宽度的变化规律。

1 激光低速切割实验设计

1.1 工件设计及工艺参数确定

准备3个直径50 mm、厚度10 mm圆柱体实验样件。实验材料为AISI 316L不锈钢[8]，其硬度约为79 HRB，抗拉强度558 MPa，屈服强度290 MPa，对酸和氯化物具有较高的耐腐蚀性。AISI 316L不锈钢化学成分如表1所示。使用TRUMPTC-L6030 CO2激光切割机完成三种不同切割速度的切割实验，选用速度如表2所示。

表1 AISI 316L不锈钢化学成分Table 1 Chemical composition of AISI 316L steel %

表2 实验切割速度选用Table 2 Established cutting speed values for experiments tests

其他工艺参数根据加工设备对切割材料类型和切割速度的要求进行选择，可作为实验常数，如表3所示。由于实验用样件尺寸过小，需设计一款用于定位和加紧的夹具，如图1所示。

图1 激光切割实验过程及夹具设计Fig.1 Laser cutting of test samples mounted in the holder

表3 其他工艺参数Table 3 Constant process parameters

1.2 激光切割表面检测实验设计

采用9.5倍LEICA MS5立体显微镜和摄像头拍摄切割表面照片，并在同一实验样件上分别拍摄三组照片，如图2所示，图中1为激光束开始切割实验样件的瞬间；2为切割表面中间位置；3为激光束退出切割材料。

图2 激光切割表面照片拍摄Fig.2 Photographing procedure of laser cutting

使用带有PC控制器的Hommel T-1000表面粗糙度测量系统检测激光切割表面的振幅表面粗糙度，该PC控制器装有Turbo-Datauin NT数据采集系统，可存储测量数据Ra、Rz、Rt、Rq等表面粗糙度参数，由PC控制器进行对比处理。切割表面粗糙度测量位置如图3所示。

图3 切割表面粗糙度测量位置Fig.3 Procedure of roughness measurements

分别选取距离切割表面上边缘1 mm、5 mm和9 mm的位置进行测量，由于实验样件3的切割表面下边缘检测位置有熔渣存在，会损坏测量用轮廓针，不便于测量，故将检测位置设置在损坏切割表面上方1 mm处。轮廓测量范围为80 μm，评估长度约4.8 mm，切断长度0.8 mm，在每个测量位置重复测量4次，测量结果去平均值，标准偏差为计算结果平均值。

2 实验结果和讨论

2.1 低速切割对热影响区宽度的影响

不同切割速度下的3个实验样件切割表面的拍摄照片如图4～图6所示，切割表面缺陷如熔渣、残渣和条纹（在切割表面呈波峰和波谷形状的图案）均存在，图中部分位置已采用图像处理软件在拍摄照片中进行标记。当激光束退出切割材料时（见图6），切割表面热影响区的熔渣和残渣现象最为显著；当激光束进入切割材料时（见图4），切割表面也存在热影响区和宏观缺陷，但相比图6时要少得多；3个实验样件的切割表面中间位置的不规则划痕最少，热影响区最窄；当切割速度为16.5 mm/s时，切割表面下边缘无连续热影响区存在；随着切割速度的降低，切割表面底部的熔渣、熔融金属和粗糙波纹表面现象加剧；当激光切割速度为1.84 mm/s时，出现金属过烧现象。为了防止轮廓针损坏，不对实验样件3切割表面底部进行2D粗糙度检测。在3个实验样件切割表面中均有波纹存在，如图5所示；当切割速度为9.17 mm/s（相当于最大切割速度的50%）时，切割表面中间部分相较于另外两组实验样件，波纹明显减少；在拍摄的照片中，切割速度对热影响区宽度的影响较为明显。

图4 激光束进入切割位置Fig.4 Cutting surfaces in laser beam entry area

图5 激光束切割至中间位置Fig.5 Cutting surfaces in the middle

图6 激光束退出切割材料Fig.6 Cutting surfaces in laser beam exit area

切割速度对热影响区宽度的影响如图7所示。当切割速度为9.17 mm/s（相当于最大切割速度的40%）时，热影响区宽度增加了20%；当切割速度为1.84 mm/s（相当于最大切割速度的20%）时，热影响区宽度增加了35%；随着切割速度的降低，热影响区宽度以近似线性关系递增，但由于本次实验数量偏少，不能得出准确描述热影响区宽度变化的关系式。

2.2 低速切割对表面粗糙度的影响

实验样件1、2、3的振幅表面粗糙度参数测量平均值如表4～表6所示，其变化曲线如图8所示。

图7 切割速度对热影响区宽度的影响Fig.7 Effect of cutting speed on heat affected zone width in relation to sample thickness

表4 样件1表面粗糙度测量值（vc=16.5 mm/s）Table 4 Surface roughness measurement results for sample 1(vc=16.5 mm/s)

表5 样件2表面粗糙度测量值（vc=9.17 mm/s）Table 5 Surface roughness measurement results for sample 2(vc=9.17 mm/s)

表6 样件3表面粗糙度测量值（vc=1.84 mm/s）Table 6 Surface roughness measurement results for sample 3(vc=1.84 mm/s)

图8 三个试验样件的粗糙度参数变化曲线对比Fig.8 Values of Ra、Rz、Rt、Rqparameter measured for different cutting speeds

由图8可知，样件1和样件2随着距切割表面上边缘距离的增加，粗糙度值均呈增加趋势，虽然样件3的数据不完整，但变化趋势相同；样件3（vc= 1.84 mm/s）的未损坏切割表面中间位置获得最佳表面粗糙度；在距离切割表面边缘上方1 mm处的粗糙度值最大，上述所有检测数据均为有效值；综合各参数变化曲线的分析结果，样件2（vc=9.17 mm/s）切割表面整体质量最好，而样件3距离切割表面上边缘9 mm处因切割表面损坏，不便于测量，可以预测在3个样件中同等测量位置，样件3在该处的表面粗糙度值最大。

3 结论

（1）切割速度对表面粗糙度、热影响区宽度、表面宏观缺陷，如熔渣、熔融金属和过烧金属有显著影响；随着切割速度的降低，热影响区宽度随之增加；当切割速度低于最大切割速度的50%时，切割表面下边缘被损坏。

（2）3个实验样件中，样件1和样件2的检测结果可用；当切割速度为16.5mm/s（最大切割速度）时，表面质量最好，且热影响区最窄；当切割速度低于最大切割速度，vc=9.17 mm/s时，表面粗糙度值最低，但热影响区增加了20%的切割表面，粗糙度值越靠近切割表面下边缘，相差越大；最小切割速度为1.84 mm/s的实验结果真实，但不建议用于生产制造，因为该切割速度下不仅无法获得可用的切割表面，而且加工时间过长，效率低。

（3）如果对切割表面的表面质量要求不高，并且不再对切割表面进行再加工，建议采用最大切割速度；如果对表面质量要求高于对热影响区宽度的要求，则建议采用低于最大切割速度的切割速度。

[1]孙晓东，王松，赵凯华，等.激光切割技术国内外研究现状[J].热加工工艺，2012（09）：214-216.

[2]谭超，孙小燕，银恺，等.飞秒激光切割金属的表面粗糙度[J].中南大学学报(自然科学版)，2015（12）：4481-4487. [3]陈聪，高明，顾云泽，等.光纤激光切割铝合金薄板工艺特性研究[J].中国激光，2014（06）：79-85.

[4]孟庆轩，王续跃，徐文骥，等.薄板激光切割气熔比数学建模及试验验证[J].机械工程学报，2011（17）：172-178. [5]ThombansenU,HermanssT，Stoyanov S.Setupand MaintenanceofManufacturingQuality in CO2Laser Cutting[J].Procedia CIRP，2014（20）：98-102.

[6]Kek T，Grum J.Monitoring laser cut quality using acoustic emission[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture，2009（49）：8-12.

[7]StelzerS，MahrleA，WetzigA，etal.Experimentalinvestigations on fusion cutting stainless steel withfiber and CO2laser beams[J].Physics Procedia，2013（41）：399-404.

[8]齐忠军，李晓明，王涛.激光切割工艺在机械加工中的应用[J].农业科技与装备，2014（05）：63-64.

Influence of low-speed laser cutting on the width and surface roughness of heat-affected zone

WANG Diaopin
（Department of Mechanical&Electrical Engineering，Chengdu Vocational&Technical College of Industry，Chengdu 610218，China）

Designing the low-speed experiments in laser cutting of AISI 316L，study the variation of the heat-affected zone width and surface roughness of the cut surface at lower cutting speed conditions，then makes suitable improvement for manufacturing laser cutting process parameters.The study found that cutting speed has a significant influence on the surface roughness and the heataffected zone width and surface macroscopic defects；with decreasing cutting speed，the heat-affected zone width increases；if less demanding on the cut surface quality，and no need for further processing，the maximum cutting speed is recommended；either if the surface has more requirements in cut surface quality，the lower cutting speed is recommended.

low-speed laser cutting；heat affected zone；surface roughness；process parameters

TG485

A

1001－2303（2017）03－0113-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.23

献

王调品.激光低速切割对热影响区宽度和表面粗糙度的影响[J].电焊机，2017，47（03）：113-118.

2016-08-13；

2016-10-09

王调品（1970—），男，四川成都人，副教授，硕士，主要从事机械结构设计与工程材料仿真分析的研究工作。