激光束切割是一种非接触、生产灵活和高生产率的技术，可以对大范围的板材材料进行精确的分析。为了这些和进一步的好处，激光加工正越来越多地被工业所采用。本文研究了材料类型，工件厚度，切割速度和辅助气体压力对切割质量的影响，使用CO2激光器进行工业相关应用。选取AlMg3铝合金、St37-2低碳钢和AISI 304不锈钢作为多个工业领域最成熟的材料，深入了解不同工艺(即惯性辅助熔合切割和氧切割)和CO2激光波长的吸收行为。目的是加强对激光切割参数和工件参数相互作用的机制的理解，以确定通用标准和优化的工艺参数，以保证切缝质量。研究人员从切缝几何形状、表面粗糙度和切边质量三个方面分析了激光切割的质量。实验采用以实验设计为基础的系统实验设计方法进行，并通过方差分析对结果进行验证。提出并讨论了质量评价。视觉检查切割部分确认良好的整体质量和激光切割缺陷的有限存在。实验研究表明，不同的材料可以在较大的测试值范围内成功加工。此外，研究人员为每种材料确定了满足所采用质量标准的直线要求的最佳切削条件。

相关论文以题为“Experimental Investigation of Industrial Laser Cutting: The Effect of the Material Selection and the Process Parameters on the Kerf Quality”发表在《Applied Sciences》上。

实验背景

激光切割(LBC)是目前工业上应用最广泛的切割不同板材材料的工艺。激光加工能够切割范围非常大的材料，几乎涵盖了所有类别(金属、复合材料和陶瓷)。这种特性是由于激光过程的热特性取决于材料的热行为，而不是它的机械性能。热能由激光束提供并转化为热能。激光束可以聚焦在材料表面一个非常小的点上，由于具有电磁辐射，它不涉及机械切削力、刀具磨损和振动。因此，LBC也适用于切割硬质或脆性材料。

激光束与材料的电子相互作用，部分能量被吸收，产生高度局部的温度上升，直至熔化、汽化或化学状态改变。这些控制激光-材料相互作用的不同物理现象主要取决于材料的化学性质和物理性质，如吸收率、导热率，以及激光的波长和功率密度等激光特性。熔化切割是迄今为止最常用的金属切割方法，而汽化切割通常用于具有低汽化能和高辐照激光的材料。化学状态改变切割代替一些有机材料，当温度升高导致分子之间的化学键断裂时。在熔化切割过程中，熔融物质通过加压气体辅助射流从槽中移出。根据被切割材料的不同，辅助气体可以是惰性的，也可以是活性的。第一个保护表面不被氧化，而第二个(通常是氧气)产生强烈的放热反应，增加切割区域的温度，从而允许更厚的切割和更高的速度。

研究人员研究了工业激光切割不同材料时，材料类型、工件厚度、切割速度和辅助气体压力对切割质量的影响。当要求高精度和精度时，切割的质量是最重要的。切割质量评价主要依据切缝几何形状(切缝宽度和垂直度偏差)、表面粗糙度和切割边缘质量。本实验研究中所使用的材料被选择来代表许多相关工业领域中最常用的材料，目的是为了找到通用的标准和最佳的工艺参数集。采用AlMg3铝合金和AISI 304不锈钢对CO2激光波长的吸收行为进行了研究，采用St37-2结构钢对氧助激光切割进行了研究。开发了析因设计，并通过改变工艺参数进行了测试。测量并分析了刀缝宽度、锥度角和表面粗糙度。研究人员采用方差分析(ANOVA)方法，研究了切割激光参数和工件参数对工件质量输出的联合影响。最后，他们对采空区进行了目视检查，以排除渣的形成、未切割区域和切割面上的不规则性。

实验材料

对AlMg3铝合金(EN AW-5754, UNS A95754, 51000)、St37-2低碳钢(EN S235JR, ASTM A283C, 1.0037)和AISI 304不锈钢(EN X5CrNi18-10, AISI 304, 1.4301)试样进行试验。制造商申报的化学成分和性能分别见表1和表2。

表1.所采用材料的化学成分。

表2.所采用材料的主要性能。

铝及其合金具有很高的强重比、耐腐蚀性和可焊接性。由于其可观的性能，铝合金板材被用于制造航空、汽车和其他相关技术领域的工业应用的结构件。铝合金切割用的是惰性气体，通常是氮气。AlMg3是一种铝镁合金(5xxx系列)，适用于冷成型和焊接，比纯铝具有更好的耐腐蚀性能和更高的机械性能。对于纯铝，AlMg3具有高导热性能。热传递对激光切割性能起着至关重要的作用。由于热导率是指热量从切削区域转移的速率，低热阻增加了热耗散，导致可用于加工的能量更低，从而导致更高的能源消耗和效率损失。此外，热量的去除可能导致切缝底面熔融金属的冷却，锥形边缘和渣形成。此外，轻反射金属，如铝合金，可能降低最大切削速度和要求更高的功率密度，以启动切割。

实验设备

实验测试使用TRUMPF公司的TRULaser 3040，配备5000 W CO2 TruFlow源。图1所示为用于测试的实验装置示意图，其中标明了激光切割过程中涉及的相关项目。激光系统由计算机数控(CNC)系统控制。辅助气体通过切割头的锥形喷嘴同轴喷出。透镜系统将激光束聚焦在直径约0.3毫米的一个点上。光束在焦斑上的强度分布近似于高斯分布。表3列出了制造商声明的主要特性。

图1.用于测试的实验装置示意图。
表3.采用激光系统的主要特点。

实验程序

为了实现工件的尺寸精度、表面光洁度和切割边缘质量，工艺参数的选择至关重要。因此，在前期设计试验和文献研究的基础上确定了待测参数的范围。每一种材料都采用了最著名的做法。辅助气体AlMg3和AISI 304用氮气切割，St37-2用氧气切割。辅助气体通过切割头的锥形喷嘴同轴喷出。喷嘴直径的调整使压力稳定，并避免熔体中的湍流。一般情况下，根据材料和厚度的不同，常用的喷嘴直径值在0.8 - 3mm范围内。辅助气体射流提供了将熔融金属从切缝中拉出所需的机械作用，并在熔融表面形成传热的边界层，从而避免了过热。此外，在氧辅助切削中，活性气体为能量平衡提供了额外的热贡献。一般情况下，在氧辅助激光切割中，根据厚度的不同，将活性气体注入切割区域的压力约为0.2-0.6 bar，而氮气的注入压力要高得多(10 mm厚的板材约为16 bar)。
按照实验方案，通过改变工艺参数对每个样品进行激光切割。对试样进行梳状平行切割(如图2所示)，对断面进行几何分析和质量评价。

图2.用于测试的梳状结构示意图。

图3.6 mm厚AlMg3切割时的流动分离深度，Cs = 100%， P = 50%。

结论

本文主要研究了用5000 W CO2工业激光对AlMg3铝合金、St37-2低碳钢、AISI 304不锈钢等不同工程材料进行激光切割时，材料类型、工件厚度、切割速度和辅助气压对切割质量的影响。切割质量的评价主要基于切缝几何形状(切缝宽度和锥度角)、表面粗糙度和切割边缘质量。主要结果可以总结如下：
切割断面的质量评估(符合ISO 17658:2015标准)证实，激光切割断面整体质量良好，缺陷存在有限，因为没有观察到凝固的液滴，面部轮廓不规则和表面燃烧。总体上切口宽度,下切口宽度和锥角的范围分别是599.90±106.85µm, 562.06±280.01µm和0.83±2.48度。

在切缝几何形状方面，顶部切缝宽度主要受工件厚度的影响。相反，底切缝宽度受材料类型、厚度和气体压力的影响较大。切削速度的降低增加了切槽宽度，因为提供了更高的能量。后者在不锈钢切割时不太明显。提出在AISI 304激光切割选择的数值范围内，在可能的情况下，切割速度的增加增强了切割正面的辐照度，从而提高了切割正面向底部的温度。锥度角主要受材料类型的影响。

对于侧切槽粗糙度，激光切割CO2激光辐射吸收最差的AlMg3的Ra值最高，而AISI 304的Ra值最低。此外，AlMg3和St37-2的算术表面粗糙度沿激光束方向增加，而AISI 304的算术表面粗糙度基本不变。方差分析结果表明，计算表面粗糙度主要受材料和切削速度的交互作用的影响。此外，随着切割速度的增加，RSm增大，特别是在激光切割AISI 304时。相反，激光切割St37-2时，RSm随着切割速度的降低而增大;此外，研究还发现，RSm随着厚度的增加而减小，这表明合金元素的存在导致了更不容易预测的行为。厚度与气体压力之间存在显著的交互作用，表明激光切割薄层时，气体压力越低，间距参数越小。

关键词：金属加工，加工行业，加工技术