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四種輔助氣體對激光切割（gē）鍍鋅板的影響

2017-6-12 來源：遼寧科技大學應用技術（shù）學院作者（zhě）：高亮，陳宇翔，苗露

摘要:為了研究鍍鋅板激光切割工藝，開展了Ｎｄ：ＹＡＧ脈（mò）衝激光切（qiē）割機切割厚度是０．５ｍｍ的熱（rè）鍍鋅板的（de）工（gōng）藝實驗，使用了氮（dàn）氣（Ｎ２）、氧氣（Ｏ２）、氬氣（Ａｒ）和空氣四種輔助氣體。分別使用激光電源的不同工（gōng）藝參數，包括輸（shū）出電流、脈（mò）衝脈寬、脈衝頻率等，通過多次實驗（yàn）測出最（zuì）佳工藝參數，氮氣（Ｎ２）的（de）最佳工藝（yì）參數（shù）為電流１６０Ａ、脈寬１ｍｓ、頻率６０Ｈｚ、加工速（sù）度４００ｍｍ／ｍｉｎ；氧氣（Ｏ２）的最（zuì）佳工藝參數為電流１４０Ａ、脈寬０．８ｍｓ、頻率５０Ｈｚ、加工速度４５０ｍｍ／ｍｉｎ；Ａｒ能切開但掛渣較多的工藝參數為電流１７０Ａ、寬１．２ｍｓ、頻率６５Ｈｚ、加工速度３００ｍｍ／ｍｉｎ；空氣的最佳工藝參數為電流１６０Ａ、脈寬１．０ｍｓ、頻率６５Ｈｚ、加（jiā）工速度３００ｍｍ／ｍｉｎ。通（tōng）過測量切縫寬度以及觀察掛渣量的多少，判（pàn）斷切割（gē）質量，得到結論：氧氣適用切割（gē）較厚鍍鋅板，氮氣（qì）適用切（qiē）割薄鍍鋅板，氬氣（qì）切割鍍鋅板效果不佳，針對本次實驗，空氣切割質量最好。

關鍵（jiàn）詞（cí）:激光器；激光切割；鍍鋅板；工（gōng）藝參數；縫寬

０.引言

因鍍鋅層（céng）在鋼鐵表麵具（jù）有物理屏蔽及電化學保（bǎo）護作用［１］，所以（yǐ）鍍鋅板具有良（liáng）好的耐腐蝕性［２－３］，被廣泛應用在電力、建築、交（jiāo）通、化工等（děng）領域（yù）［４－６］。尤其是在汽車領域裏，使用超高強度（dù）的（de）鍍鋅板可以大幅度提高車身耐腐蝕性能，提高汽車的使用壽命［７］。傳統機械（xiè）切割技術切割（gē）鍍鋅板對鍍層具有破壞作用，而且不易實現（xiàn）複雜情（qíng）況的切割［８］。激光切割技術具有切割速度（dù）快、切縫窄、工（gōng）件無變形、靈活性等優點［９－１０］，廣（guǎng）泛應用在工業（yè）加工領域［１１］。目前，國內激光切割應用範圍正在不斷擴大，已達幾十個領（lǐng）域，其中（zhōng）最具有代表性、應用最為廣闊的是汽車製造業。據估計，約有６０％的汽車零部件可以（yǐ）通過激光切割來提高質量［１２］，包括汽車焊接用到鍍（dù）鋅板的切割，但（dàn）國內研究（jiū）鍍鋅板切割文獻幾（jǐ）乎沒有。鍍鋅板焊接質量的好壞主要（yào）取決（jué）於切割過程是否存在掛渣、過燒現象、切割縫寬大小以及對鍍鋅層的影響，所以研究激光切割影響光能量（liàng）的（de）因素對切割鍍（dù）鋅（xīn）板質量好壞具有重要意義。

影響激光切割的因素很多，如激（jī）光聚焦的透鏡焦距、加工對（duì）象對激光的吸收波長、決（jué）定能量大小的（de）輸出（chū）功率、脈衝輸出功率的比例和頻率等。除此以外，從噴嘴向被加工件噴射的輔（fǔ）助氣體（tǐ）對加（jiā）工質量及加工性能也起著重要的作用［１３－１４］。

本文從Ｎｄ：ＹＡＧ脈衝激光器的輸入功率、頻率、脈寬、加（jiā）工速度等（děng）幾個方麵研究激光（guāng）切割鍍鋅板工藝實驗。分別使用四種輔助氣（qì）體（依次是氮氣（Ｎ２）、氧氣（Ｏ２）、氬氣（Ａｒ）和空氣（qì））下的不同工藝參數，進行多（duō）次切割實驗，通過塞尺測量每（měi）組切縫寬度，繪製出數據相對應的圖片，觀察掛渣量多少進行比較分析數據，從而（ér）得（dé）出結論。

１.實驗方法

１．１實驗設備

實驗采（cǎi）用固體Ｎｄ：ＹＡＧ激光切割機，見圖１。其型號是ＪＨＭ－１ＧＹ－３００Ｂ。參數為激光波長１．０６μｍ，激光額定平均功率３００Ｗ，激（jī）光脈衝頻（pín）率１～２００Ｈｚ（可調），激光脈衝寬度０．１～２０ｍｓ（可調），聚焦鏡焦距ｆ＝７５ｍｍ，聚焦光斑直徑０．３～０．６ｍｍ。四種輔助（zhù）氣體（tǐ）為氮氣（qì）（Ｎ２）、氧氣（Ｏ２）、氬氣（Ａｒ）和空氣。

圖１　Ｎｄ：ＹＡＧ激光切割機

１．２實驗（yàn）材料

實驗所用材料是熱鍍鋅板ＤＸ５１，材料的尺寸（cùn）為１５０．０ｍｍ×１３３．０ｍｍ×０．５ｍｍ，實驗的切縫長度２２ｍｍ。切割材料（liào）板如圖２所示。

圖２　ＤＸ５１鍍鋅板

１．３實驗結果與分析

１．３．１實驗方法及結果

實驗分別使用氮氣（Ｎ２）、氧氣（Ｏ２）、Ａｒ和空氣四種輔助氣體，每組輔助（zhù）氣體（tǐ）下通過調節激光（guāng）器的輸出電（diàn）流、頻率、脈寬以及工作台的加工速（sù）度，依次取十組值進行切割實驗，每道切縫均用（yòng）塞尺測量寬度，然後使用（yòng）Ｏｒｉｇｉｎ畫（huà）出寬度隨電流的變化（huà）曲線、寬度隨（suí）頻率的變化（huà）曲線、寬度隨脈寬的變化曲線、寬度隨加工（gōng）速度的變化曲線，結果如圖３～圖６所示。

圖３　不（bú）同（tóng）電流下的切縫寬度（dù）

圖４　不同頻率下的切縫寬度（dù）

圖５　不同脈寬下的切縫寬度

圖６　不同加工速度下的切縫寬度

這裏針對此設備定（dìng）義新的激光器參數（shù），焦相點即激光切割機（jī）噴嘴與工件表麵貼合住，往上移動的相對距離（lí）。因為設備實際焦（jiāo）點不易確定，本實驗取焦相點，進行每次實驗之前都調（diào）節（jiē）焦相點，大小均為０．７５ｍｍ，所以可認為每次實驗的離焦量相同。

２.結果分（fèn）析

２．１共同規律

從圖（tú）３～圖６可看出，增大電流、頻率、脈寬，減小（xiǎo）加工（gōng）速度，都能增大切縫寬度。這是因為增（zēng）加（jiā）輸出電流、頻率、脈寬，減小（xiǎo）加工速（sù）度即是增（zēng）加了（le）單位麵積（jī）上激光器的輸出能量（liàng），即增（zēng）大（dà）激光功率密度，照射（shè）工（gōng）件表麵使其熱量累積，熔化的（de）切縫寬度會增大，但增大到（dào）一定程度時，趨於不變，因為此時影響切縫的變為光斑直徑，離焦量相同時，其光斑直徑基本一致，所以（yǐ）切縫寬度趨於不變。

２．２不同規律

２．２．１使用氮氣（Ｎ２）作為輔助氣體切割

如圖３～６所示（shì），其切割切縫最（zuì）窄，但需要閾值能量較大。因為氮氣（Ｎ２）主要（yào）作為保護氣體，能夠吹除熔渣，趨於不（bú）變的參數相對氧氣較大，實驗測得（dé）最佳工藝參數為（wéi）電流１６０Ａ，脈寬１ｍｓ，頻率６０Ｈｚ，加工速度４００ｍｍ／ｍｉｎ。

２．２．２使用氧氣（Ｏ２）作為輔助氣體切割

如圖３～圖６所示，氧氣（Ｏ）切（qiē）割，切縫最寬（kuān），切割閾值（zhí）能量比較低（dī）。因為氧氣具有助燃效果，切割鍍鋅板需要能量（liàng）相對其他氣體的需要能量（liàng）小（xiǎo），但其（qí）燃燒產生熱量大，所以切縫寬度較大。

實驗測得最佳工藝參數（shù）為電流１４０Ａ，脈寬０．８ｍｓ，頻率５０Ｈｚ，加工速度４５０ｍｍ／ｍｉｎ。

２．２．３使用氬氣（Ａｒ）作為輔助氣體切割（gē）

如圖３～圖６所示，需要輸出能量較（jiào）大。因（yīn）為氬氣（Ａｒ）作為惰性氣體，主要（yào）起（qǐ）到保護氣體的作用，但其保護性能（néng）不如氮氣，熔渣吹除困難，由於掛渣（zhā）量太大（dà），實驗（yàn）中塞尺不易測得數據，測得數據不夠準確（如圖５曲線所示）。所以即便是能切（qiē）開，其切縫掛渣太多，後續工藝處理更加困難。

實驗測（cè）得氬氣（Ａｒ）作為輔助（zhù）氣體能切開（掛渣量大）的工藝參數為電流１７０Ａ，脈寬１．２ｍｓ，頻率６５Ｈｚ，加（jiā）工速度３００ｍｍ／ｍｉｎ。

２．２．４使（shǐ）用空氣作為輔助氣（qì）體切割

如圖（tú）３～圖６所示，切縫寬度位於氮（dàn）氣（Ｎ２）和氧氣（Ｏ２）之間。因為空氣（qì）均含有這兩種氣體，既能起到助燃效果，也能起到保護氣體（tǐ）的作用，本次（cì）實（shí）驗使用空氣吹除熔渣效果也是最好的。

實驗測得最佳工藝參數為：電流１６０Ａ，脈寬１．０ｍｓ，頻率６５Ｈｚ，加工速度３００ｍｍ／ｍｉｎ。綜合以上分析（xī），針對鍍鋅鋼板的激光切割技術，隨著激光功率密度的增（zēng）大，切縫寬度會相應增大。鍍鋅層在激光切割開始會產（chǎn）生鋅等離子（zǐ）體，吸收激光能量，激光能量太弱，則鋼（gāng）板不易（yì）切開（kāi），會在鋼板表麵產生大量黑色物質（zhì），屬於鋅蒸氣冷凝（níng）的結果。取（qǔ）工（gōng）藝參數為相同輔助氣壓０．４ＭＰａ，加工速度３００ｍｍ／ｍｉｎ，電流１７０Ａ，脈寬１．０ｍｓ，頻（pín）率６０Ｈｚ，焦相點０．７５ｍｍ，在四種輔助氣體下分別進行（háng）一次實驗。實驗切割圖片金相（xiàng）顯微照片如圖（tú）７所示，其中，氬氣因掛渣過多未切開。通過塞尺（chǐ）測（cè）量縫寬，測量結果如表１所示。

圖７　三種輔助（zhù）氣（qì）體切縫金相顯微對比（ａ）空氣切縫（féng）（ｂ）氮（dàn）氣（qì）切縫（ｃ）氧氣切縫

表１　相同工藝參數下不（bú）同輔助氣體的縫寬

由圖７和表１可見，氬氣（Ａｒ）切（qiē）割質量較差，掛渣量太多，導致無（wú）法測量切縫寬度，所以（yǐ）氬氣（Ａｒ）不適用於鍍鋅板激光切割的保護氣體；氧氣（Ｏ２）切縫最寬，切割掛渣量較小；氮氣（Ｎ２）切縫最窄，但掛（guà）渣量較大；本次鍍鋅板厚度是０．５ｍｍ，屬於薄板切割，所以氧（yǎng）氣切割容易（yì），切縫較寬，因為氧氣具有助燃效果，更適用於厚板切割。本實驗設備最厚能切割２ｍｍ的鍍鋅板，而本次針（zhēn）對０．５ｍｍ厚鍍鋅板切割實驗，氮氣作為輔助氣體時切縫最窄（zhǎi），空氣切縫寬度適中，掛渣量（liàng）是四種氣（qì）體中（zhōng）最少的，原因是空氣中即有氧氣可（kě）以助燃，也（yě）具有氮氣，能起（qǐ）到保（bǎo）護作用，吹除熔渣效果較好。

３.結論

激光切割鍍鋅板屬於熱切割的一種，由於鍍鋅層的影響，相對其它鋼板，需要的激光能量較大。相對其他切（qiē）割方法，激光切割對鍍鋅層的破壞不大。通過實驗可見如下結果：

（１）增加激光器電源輸入的電流、脈寬、頻率，以及減小（xiǎo）加工（gōng）速度會增大工件表麵的光（guāng）功率（lǜ）密度，從而（ér）增大了激光切割鍍鋅板的縫寬（kuān）。

（２）氧氣（qì）（Ｏ２）切割鍍鋅板，具（jù）有助燃效果，切（qiē）割（gē）能力最（zuì）強（qiáng），切縫寬度相應較大，對於厚板的切割適用。針對實驗所用的機器，最厚能切２ｍｍ厚度的鋼板。

（３）氮（dàn）氣（Ｎ２）切（qiē）縫最窄，適用於薄（báo）鍍鋅板的切割。

（４）氬氣（qì）（Ａｒ）作為輔助氣體，切割需要能量較大，切割掛渣量較多（duō），效果不佳。

（５）空氣作為輔助氣體，其切縫寬度（dù）在氧氣（Ｏ２）和氮氣（Ｎ２）間，需要能量相對也不大，而（ér）且掛渣量是（shì）四種輔助氣體中最少的，所以本次實驗，空氣作（zuò）為鍍鋅板切割的輔助氣體，切割質量最好（hǎo）。

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