不锈钢装饰博客

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不锈钢加工之激光切割技术

  以激光作为加工能源,在硬脆性不锈钢加工方面的发展潜力已见端倪:它可以实现无接触式加工,减少了因接触应力对不锈钢带来的损伤;不锈钢对激光具有较高的吸收率(,聚焦的高能激光束作用于不锈钢局部区域的能量可超过108J/cm2,瞬间就可使材料熔化蒸发,实现高效率加工;由于聚焦光斑小,产生的热影响区小,可以达到精密加工的要求;激光的低电磁干扰以及易于导向聚焦的特点,方便实现三维及异形面的特殊加工要求。激光器的种类很多,以激光光束质量、材料对热源的高吸收效率以及适应产业化发展需求的标准来衡量,CO2 激光热加工仍为不锈钢切割的主要手段。激光切割的难易程度由材料的热物理性质决定,由于不锈钢是由共价键、离子键或两者混合化学键结合的物质。晶体间化学键方向性强,因而具有高硬度和高脆性的本征特性。相对于金属材料,即使是高精密不锈钢,其显微结构均匀度亦较差,严重降低了材料的抗热震性,常温下对剪切应力的变形阻力很大,极易形成裂纹、崩豁甚至于材料碎裂。因此,高效无损伤激光切割不锈钢类高硬脆无机非金属材料一直是一个诱人的且亟待解决的问题。总结近20年来激光加工不锈钢技术的研究发现,不锈钢的激光切割技术主要包括传统工艺的优化参数法、多道切割法、应力引导控制裂纹切割法以及辅助切割法四大类。

  传统工艺的优化参数法,该类方法基本借鉴金属材料激光加工的成熟工艺,仅通过优化工艺参数来实现加工目的。研究发现针对不同材料需要采用不同的激光激励方式,对于大多数不锈钢,脉冲激光切割方式是较好的选择,连续激光切割方式一般更适用于其中的薄片状玻璃切割。提高脉冲激光输出的峰值功率、降低脉宽至纳秒量级、减少重复频率、降低切割速度是该类方法有效减少激光输入对材料产生的过热影响,抑制裂纹产生的基本工艺规律。在无损切割速度的研究中,G.Lu 等给出了激光功率、切割速度和材料厚度之间的关系式:P≥1.781011t2.41v,指出对于一定厚度t的材料,存在一个最大切割速度v。要提高切割速度,实验证明在相同激光功率条件下,采用线聚焦方式的切割速度可比点聚焦方式提高5倍以上,线聚焦更好地增大了切割方向的热输入量,并减少了垂直于切割方向的热影响区。

  在优化参数的基础上,对相关加工附件(包括夹具)的改进也是该研究方法的一个突破点。激光加工中辅助气体的超音速气流可有效减少热积累,抑制切割过程中的裂纹产生,但是超音速气流的气压大,作用在被加工材料上会产生类似于刀具加工的接触应力。通过对超音速喷嘴的创新改进,可使作用于材料表面的气体净压力为零,达到抑制机械压力损伤的目的。使用图1所示F.Quintero等提出非同轴送气方式在激光切割厚氧化物不锈钢中,会由于比同轴送气更高的气体利用率而产生更好的冷却效果,切缝断面无裂纹,底部无挂渣(图2所示)。采用真宅吸盘固定硬脆性不锈钢可以保持工件在激光加工过程中的受力均匀,减少因夹持预应力而增大材料产生裂纹乃至断裂的概率。

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