激光切割是利用經過聚焦的高功率激光束照射被加工物體表面,同時噴射具有一定壓力的輔助氣體,被切割材料吸收激光束的能量后熔化甚至汽化,然后被輔助氣體吹走,隨著光束與工件的相對移動,最終將工件切開[1]。隨著加工技術的飛速發展,激光切割將會逐步成為鋼產品力學測試試樣的主流加工方法,并得到廣泛應用。目前,國內主要的研究方向是鋼板的激光切割工藝[2],各大鋼廠都不同程度地采用激光切割機、機器人、視覺判定等先進技術與自動化控制、信息化管理技術相結合的方法[3]對板材試樣的切割、加工等工序進行軟硬件集成,將傳統試樣加工升級為一套完整的自動化、無人化、智能化系統,很好地滿足了現代鋼鐵生產對實驗室高質量、高效率的要求[4]。 

冷軋薄板經激光切割后,在垂直于切割面的方向上產生一定深度的熱影響區,如果不去除熱影響區,可能會對冷軋試樣的力學性能產生一定影響,目前人們尚不清楚熱影響區深度與激光切割工藝的關系,也未對激光切割工藝對冷軋薄板力學性能的影響提出過具體的評判標準。只是在GB/T 2975—2018《鋼及鋼產品 力學性能試驗取樣位置及試樣制備》中推薦直徑或厚度小于15 mm鋼材的激光切割加工余量應為1~2 mm,未對厚度為0.1~3 mm的薄板和薄帶激光切割加工余量進行進一步說明。為此,筆者選取不同厚度、不同強度的冷軋薄板鋼材,對激光切割的熱影響區進行深入研究,分析了熱影響區組織形貌的變化,以便判定熱影響區深度,通過拉伸試驗確定了激光切割對力學性能的影響。通過該研究,對GB/T 2975—2018進行驗證與補充,同時為生產工藝的改進提供了可靠參數。 

1.   試驗方案

1.1   試驗材料及切割速率

試驗材料參數及切割速率如表1所示。 

1.2   激光切割工藝

采用激光切割機進行試驗,切割功率為2 kW,切割頻率為5 000 Hz,輔助氣體為N2,輔助氣壓為1 500 kPa,噴嘴孔徑為1.2 mm。 

1.3   試驗方法

將試樣鑲嵌、研磨、拋光,用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣并將其吹干,將試樣置于光學顯微鏡下觀察。熱影響區觀察面如圖1所示。 

圖  1  熱影響區觀察面示意

用激光切割機在樣板1/4處切割GB P6型試樣,同時在樣板的同一軋制方向取樣,并加工制成GB P6型試樣。 

2.   試驗結果

2.1   熱影響區顯微組織

激光切割后,觀察試樣表面（如圖1中B面）的熱影響區,結果如圖2所示,熱影響區和基體之間界線清晰可見。熱影響區可分為兩部分,第一部分為激光切縫邊緣部分的熔化區,第二部分為熔化區和基體之間的非熔化區。激光切割時靠近切縫中心的熱影響區溫度急速上升,達到并超過相變溫度點,激光束經過后,由于輔助氣體的冷卻和傳熱作用,溫度快速降低,由基體向熔化區的晶粒逐漸變大。熔化區由基體的馬氏體+鐵素體全部轉變為馬氏體。非熔化區的溫度較低,冷卻速率較慢,由基體的馬氏體+鐵素體轉變為馬氏體+貝氏體。經過加工中心加工后,觀察試樣表面的加工硬化區,顯微組織如圖2b）所示,加工硬化區受外來擠壓,導致晶粒變形,組織未發生變化。 

圖  2  試樣顯微組織形貌

2.2   熱影響區深度的測量

將表1中的試樣制備成金相試樣,將試樣置于顯微鏡下觀察,顯微組織測量縫到熱影響區和基體之間界線的距離為熱影響區深度,編號為1~19試樣的熱影響區深度測量結果分別為66.91,45.81,68.14,69.92,57.73,46.37,99.23,97.54,82.63,46.37,77.29,76.47,88.89,96.47,83.37,50.62,92.11,93.16,44.6 μm。 

對牌號為590DP,厚度為1.6 mm的材料進行分析,得到激光切割速率越快,熱影響區深度越小（見圖3）。但切割速率過快或過慢都可能會導致材料下表面出現掛渣現象,在切割速率為9 000 mm/min時切割質量最優。 

圖  3  不同切割速率對熱影響區深度的影響

對厚度為1.6 mm,切割速率為9 000 mm/min的材料進行分析,得到鋼種級別越高、強度越大,激光切割的熱影響區深度越大（見圖4）。 

圖  4  不同鋼種對熱影響區深度的影響

對牌號為590DP,切割速率為9 000 mm/min的材料進行分析,得到厚度越厚,激光切割熱影響區的深度越大（見圖5）。 

圖  5  不同厚度對熱影響區深度的影響

對比激光切割熱影響區深度與加工中心的加工硬化深度,發現鋼種的強度對激光切割熱影響區深度的影響較明顯,對加工硬化深度影響不大,但激光切割的熱影響區深度比加工中心的加工硬化深度大35 μm左右（見圖6）。 

圖  6  不同加工方式對冷軋薄板的影響

2.3   熱影響區對冷軋薄板拉伸性能的影響

激光技術加工不同于傳統機械加工,激光束加工材料時具有速率快、熱源集中的特點,會對材料組織和力學性能產生影響[5]。因此,分別使用激光切割加工和加工中心加工將不同牌號的鋼種加工為JIS 5#試樣,每個牌號試樣各3組,對這些試樣的屈服強度Rp0.2、抗拉強度Rm和斷后伸長率A進行分析,結果如圖7~9所示。激光切割加工試樣的屈服強度和抗拉強度比加工中心加工試樣高,斷后伸長率低,且隨著鋼種等級的提高,兩者間的差異越大。 

圖  7  各牌號兩種不同加工方式屈服強度的差值

圖  8  各牌號兩種不同加工方式抗拉強度的差值

圖  9  各牌號兩種不同加工方式斷后伸長率的差值

3.   結論

（1）激光切割熱影響區組織可分為兩部分,第一部分為激光切縫邊緣的熔化區,第二部分為熔化區和基體之間的非熔化區,熔化區主要為馬氏體,非熔化區主要為馬氏體+貝氏體。 

（2）激光切割速率越快,冷軋薄板的熱影響區深度越小,但激光切割的速率過快或過慢,會導致冷軋薄板下表面出現掛渣現象。冷軋薄板的強度越高或厚度越厚,都會使冷軋薄板的熱影響區深度越大。 

（3）對于冷軋薄板,激光切割熱影響區深度不超過100 μm,加工中心加工的加工硬化深度比激光切割的熱影響區深度小35 μm左右。 

（4）激光切割加工試樣的屈服強度和抗拉強度比加工中心加工試樣的高,斷后伸長率低,且隨著鋼種等級的提高,兩者間的差異越大。通過激光切割制備拉伸試樣時,建議參照GB/T 2975—2018標準保留1~2 mm加工余量。

文章來源——材料與測試網