激光切割是利用經(jīng)過(guò)聚焦的高功率激光束照射被加工物體表面,同時(shí)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(duì)移動(dòng),最終將工件切開(kāi)[1]。隨著加工技術(shù)的飛速發(fā)展,激光切割將會(huì)逐步成為鋼產(chǎn)品力學(xué)測(cè)試試樣的主流加工方法,并得到廣泛應(yīng)用。目前,國(guó)內(nèi)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(jī)、機(jī)器人、視覺(jué)判定等先進(jìn)技術(shù)與自動(dòng)化控制、信息化管理技術(shù)相結(jié)合的方法[3]對(duì)板材試樣的切割、加工等工序進(jìn)行軟硬件集成,將傳統(tǒng)試樣加工升級(jí)為一套完整的自動(dòng)化、無(wú)人化、智能化系統(tǒng),很好地滿足了現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室高質(zhì)量、高效率的要求[4]。 

冷軋薄板經(jīng)激光切割后,在垂直于切割面的方向上產(chǎn)生一定深度的熱影響區(qū),如果不去除熱影響區(qū),可能會(huì)對(duì)冷軋?jiān)嚇拥牧W(xué)性能產(chǎn)生一定影響,目前人們尚不清楚熱影響區(qū)深度與激光切割工藝的關(guān)系,也未對(duì)激光切割工藝對(duì)冷軋薄板力學(xué)性能的影響提出過(guò)具體的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。只是在GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能試驗(yàn)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(yīng)為1~2 mm,未對(duì)厚度為0.1~3 mm的薄板和薄帶激光切割加工余量進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。為此,筆者選取不同厚度、不同強(qiáng)度的冷軋薄板鋼材,對(duì)激光切割的熱影響區(qū)進(jìn)行深入研究,分析了熱影響區(qū)組織形貌的變化,以便判定熱影響區(qū)深度,通過(guò)拉伸試驗(yàn)確定了激光切割對(duì)力學(xué)性能的影響。通過(guò)該研究,對(duì)GB/T 2975—2018進(jìn)行驗(yàn)證與補(bǔ)充,同時(shí)為生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提供了可靠參數(shù)。 

1.   試驗(yàn)方案

1.1   試驗(yàn)材料及切割速率

試驗(yàn)材料參數(shù)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(jī)進(jìn)行試驗(yàn),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(yàn)方法

將試樣鑲嵌、研磨、拋光,用體積分?jǐn)?shù)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(xué)顯微鏡下觀察。熱影響區(qū)觀察面如圖1所示。 

圖  1  熱影響區(qū)觀察面示意

用激光切割機(jī)在樣板1/4處切割GB P6型試樣,同時(shí)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(yàn)結(jié)果

2.1   熱影響區(qū)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(qū),結(jié)果如圖2所示,熱影響區(qū)和基體之間界線清晰可見(jiàn)。熱影響區(qū)可分為兩部分,第一部分為激光切縫邊緣部分的熔化區(qū),第二部分為熔化區(qū)和基體之間的非熔化區(qū)。激光切割時(shí)靠近切縫中心的熱影響區(qū)溫度急速上升,達(dá)到并超過(guò)相變溫度點(diǎn),激光束經(jīng)過(guò)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(qū)的晶粒逐漸變大。熔化區(qū)由基體的馬氏體+鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。非熔化區(qū)的溫度較低,冷卻速率較慢,由基體的馬氏體+鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體+貝氏體。經(jīng)過(guò)加工中心加工后,觀察試樣表面的加工硬化區(qū),顯微組織如圖2b）所示,加工硬化區(qū)受外來(lái)擠壓,導(dǎo)致晶粒變形,組織未發(fā)生變化。 

圖  2  試樣顯微組織形貌

2.2   熱影響區(qū)深度的測(cè)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(cè)量縫到熱影響區(qū)和基體之間界線的距離為熱影響區(qū)深度,編號(hào)為1~19試樣的熱影響區(qū)深度測(cè)量結(jié)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(duì)牌號(hào)為590DP,厚度為1.6 mm的材料進(jìn)行分析,得到激光切割速率越快,熱影響區(qū)深度越?。ㄒ?jiàn)圖3）。但切割速率過(guò)快或過(guò)慢都可能會(huì)導(dǎo)致材料下表面出現(xiàn)掛渣現(xiàn)象,在切割速率為9 000 mm/min時(shí)切割質(zhì)量最優(yōu)。 

圖  3  不同切割速率對(duì)熱影響區(qū)深度的影響

對(duì)厚度為1.6 mm,切割速率為9 000 mm/min的材料進(jìn)行分析,得到鋼種級(jí)別越高、強(qiáng)度越大,激光切割的熱影響區(qū)深度越大（見(jiàn)圖4）。 

圖  4  不同鋼種對(duì)熱影響區(qū)深度的影響

對(duì)牌號(hào)為590DP,切割速率為9 000 mm/min的材料進(jìn)行分析,得到厚度越厚,激光切割熱影響區(qū)的深度越大（見(jiàn)圖5）。 

圖  5  不同厚度對(duì)熱影響區(qū)深度的影響

對(duì)比激光切割熱影響區(qū)深度與加工中心的加工硬化深度,發(fā)現(xiàn)鋼種的強(qiáng)度對(duì)激光切割熱影響區(qū)深度的影響較明顯,對(duì)加工硬化深度影響不大,但激光切割的熱影響區(qū)深度比加工中心的加工硬化深度大35 μm左右（見(jiàn)圖6）。 

圖  6  不同加工方式對(duì)冷軋薄板的影響

2.3   熱影響區(qū)對(duì)冷軋薄板拉伸性能的影響

激光技術(shù)加工不同于傳統(tǒng)機(jī)械加工,激光束加工材料時(shí)具有速率快、熱源集中的特點(diǎn),會(huì)對(duì)材料組織和力學(xué)性能產(chǎn)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(hào)的鋼種加工為JIS 5#試樣,每個(gè)牌號(hào)試樣各3組,對(duì)這些試樣的屈服強(qiáng)度Rp0.2、抗拉強(qiáng)度Rm和斷后伸長(zhǎng)率A進(jìn)行分析,結(jié)果如圖7~9所示。激光切割加工試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比加工中心加工試樣高,斷后伸長(zhǎng)率低,且隨著鋼種等級(jí)的提高,兩者間的差異越大。 

圖  7  各牌號(hào)兩種不同加工方式屈服強(qiáng)度的差值

圖  8  各牌號(hào)兩種不同加工方式抗拉強(qiáng)度的差值

圖  9  各牌號(hào)兩種不同加工方式斷后伸長(zhǎng)率的差值

3.   結(jié)論

（1）激光切割熱影響區(qū)組織可分為兩部分,第一部分為激光切縫邊緣的熔化區(qū),第二部分為熔化區(qū)和基體之間的非熔化區(qū),熔化區(qū)主要為馬氏體,非熔化區(qū)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(qū)深度越小,但激光切割的速率過(guò)快或過(guò)慢,會(huì)導(dǎo)致冷軋薄板下表面出現(xiàn)掛渣現(xiàn)象。冷軋薄板的強(qiáng)度越高或厚度越厚,都會(huì)使冷軋薄板的熱影響區(qū)深度越大。 

（3）對(duì)于冷軋薄板,激光切割熱影響區(qū)深度不超過(guò)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(qū)深度小35 μm左右。 

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

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