基于激光切割热影响区的探讨

基于激光切割热影响区的探讨
摘要：本文在大量试验的基础上，研究分析了不同厚度钢产品的热影响区，本
文所涉及样品是使用光纤式激光切割机加工的，因其具有低BPP（光束参数积）值，可以在高亮度、细焦斑、长焦距远距离工作，增强了其在材料加工中的适用性，提高了切割精度。

关键词：激光切割；热影响区
激光技术是20世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一，激光切割被称之为“最快的刀、最亮的光、最准的尺”。

激光切割是将能量聚焦到微
小的空间，利用高密度的能量进行非接触、高精度、高质量、高效率的切割方法，在金属材料加工、汽车、工程机械等工业领域得到了广泛应用。

随着加工技术的
飞速发展，激光切割将会逐步成为钢产品力学检测样品的主流加工方法，并得到
广泛应用，激光切割改变了传统的样品加工方法，但是有一点必须要引起注意，
激光切割属于热加工方法，在材料的被切割面会形成一定的热影响区。

下文对此
进行了分析。

1热影响区研究分析
本文选取了11种厚度的低合金钢样品，厚度在1.75～18mm范围内，使用线
切割机床在激光切割面附近制取样品，检测面垂直于激光切割面，每个厚度的样
品分别分析了显微组织和维氏硬度HV1，根据其变化趋势确定热影响区的具体数值。

影响激光切割质量的工艺参数主要有激光功率、切割速度等，选用的激光切
割机为2kW，切割速度约为800mm/min。

从图1中经过激光切割的样品表面可以看出，不管是薄样品还是厚样品，激
光切割边比较平整，且无切割瘤，可以充分满足样品后续精加工的要求。

1.1显微组织分析
显微组织分析样品采用200号、600号、1000号水砂纸进行打磨，并使用7、3.5μm金刚石研磨介质抛光，然后使用4%的硝酸酒精溶液浸蚀检测面，本文中列举了厚度18mm的低合金钢在ZEISS光学显微镜上观察到的显微组织，如图2所示。

图2中的组织图片展示了激光切割后在切割面附近形成的典型组织形态，不
同的温度区间在冷却后形成了不同组织。

图2（a）白亮处组织为马氏体组织，是
由于过冷度极大而出现的；图2（b）临近白亮组织处以及图2（b）中深色组织
为马氏体和贝氏体的混合组织，是高温奥氏体冷却组织；图2（c）为激光切割过
程中的过渡区组织，属于变异珠光体；图2（d）为正常组织：铁素体＋珠光体。

从显微组织分析中可以发现一个共同特点：热影响区由激光切割起始面到结
束面逐渐增大，如厚度18mm的低合金钢，接触激光的试样上表面为0.2mm，接
触激光的试样下表面为1.1mm。

产生这种现象的主要原因：激光照射被切割材料
上表面，在焦点附近迅速被熔化，吹入的氧气与熔融的金属产生氧化反应放出大
量的热，促使下层金属进一步熔化，热量向下方和四周传导，下层吸收的热量多。

1.2维氏硬度HV1分析
对于同一维氏硬度，随着试验力的减小，不确定度均逐渐增大，在日常金属
材料的维氏硬度试验过程中，在满足标准要求的情况下，应尽可能选择较大的试
验力。

综合考虑热影响区及数据准确性，选定试验力为1kgf。

硬度样品全部镶嵌，
检测面与对面都经磨抛处理，对面经磨抛至试样本体以消除镶嵌粉对硬度的影响，使用最大放大倍数400倍的维氏硬度计，可以清晰地观察到硬度压痕打在组织上
的具体位置。

沿激光切割边部向内打硬度，硬度点分布采取交错排列的方式，满
足GB/T4340.1中压痕间距不小于对角线长度3倍的要求。

从相关材料硬度可知，从激光切割边部开始向内数据急剧减小，厚度为17、17.4、18mm的样品在距离
切割面1.5mm后，其硬度值与基体硬度值较为接近。

经对样品成分分析，确认激光切割影响区在受材料厚度影响的同时，也受材料含碳量的影响，在相同厚度的
情况下，含碳量越高，热影响区越大。

在实际使用激光切割过程中，要引起注意。

1.3结果比较分析
从图3中热影响区随样品厚度的变化趋势可以看出，受被切割材料自身特性
的影响，随着厚度的增加，热影响区并非线性增加，这与材料的成分、物理特性（热传导、热扩散）、光学特性（对激光的吸收率、反射系数）、激光波长以及
切割工艺参数有关，不同碳含量材质加工出来的样品质量会大不相同。

据研究分析表明，切割速度对表面粗糙度、热影响区宽度、表面宏观缺陷等
有显著影响，较低的激光功率和较快的切割速度有利于减小切缝宽度和热影响区
大小。

在钢产品力学性能样品加工时采用激光切割，必须要去除足够的热影响区，建议参考最大值保留加工余量。

2 GB/T2975的修订
激光切割作为一种新型的加工方式具有不可替代的优势，笔者联合多位材料
检测专家向全国钢标准化技术委员提出，建议在国家标准GB/T2975《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》中增加激光切割方法。

经审定会确定，将激
光切割方法作为样坯加工的方法之一写入了GB/T2975—2018资料性附录B，推荐保留的加工余量如表1所示。

结语
综上所述，对于同一种材料，被切割材料厚度对热影响区有显著影响，随着
厚度的增大，热影响区随之增加，采用激光切割制取力学性能样品时，必须保留
足够的加工余量。

在使用激光切割时，要根据被切割材料自身特性合理选择激光
切割参数，尤其是功率、切割速度。

参考文献
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