引言
随着工业领域对材料加工和制造的要求提高，激光切割技术中的热切割技术这种先进的材料加工技术，凭借自身加工效率高、切缝质量好和切割速度较快等优势，被医疗器械、船舶制造和航空航天等各个工业领域在材料加工方面广泛应用。激光切割的过程是一个非接触过程，利用热输入受控，让高能密度激光束在工件表面聚焦，采用蒸发、融化的方法去除材料。气体射流是在激光束输送时同轴输送的，主要作用是帮助激光束从切割区中把被熔化或者蒸发的材料喷射出来。不锈钢有两个特征，分别是黏度低和熔点高，由于不锈钢的这两点特征，导致不锈钢较难的被氧基燃料采用火焰法进行切割，因此只能够采用激光法对不锈钢这种重要的工程材料进行切割。Tamura公司针对300mm的不锈钢和碳钢板采用了30千瓦的光纤激光器成功将其切割，Chagnot等采用了自主研发的切割头和8千瓦的Nd:YAG激光切割了100毫米厚的不锈钢板。
一、激光切割的机理
激光切割分为很多种形式，包括气化切割、氧化熔化切割、控制断裂激光切割、熔化切割以及激光烧灼切割等。高功率的激光在材料上通过透镜进行聚焦，能够在瞬间注入进材料里，让材料发生化学键断裂、熔化和蒸发等多种变化。在对材料进行精准切割的时候，高压和气体射流的配合能够从切割区把熔化、蒸发的材料喷射出来。在FOOlsen对激光切割的研究中发现，要想加热熔化一定大小的材料，并保证在传导中的低损耗，必须使每一个脉冲都能保证有充足的能量和峰值强度。在激光束切割不锈钢板时，大部分的材料会被熔化然后从切割区喷射出来，小部分的材料会变成蒸汽被去除。只有在局部的蒸发压力大于切割气体的压力时，才能够有助于去除材料，让在切口前沿的金属层的厚度减少。
在采用激光气化切割材料时，激光束会在材料表面聚焦，并形成一个表现为黑体的小孔，吸收率的增加会让孔洞变深，通过对辅助气体的使用可以将材料蒸汽从切口吹走。在切割橡胶、高分子聚合物、木材等非金属类的材料时，一般会采用气化切割，气化切割能够让这类非金属材料在切割加工时避免出现融化过度的现象，能够得到较高质量的切割边缘。
在使用激光熔化切割材料时，在激光束的作用下，材料会发生熔化，在材料达到气化状态之前，可以利用氩气或氮气辅助气体加压射流把材料从切口中去除。从喷嘴形成的气流的喷射方向和激光同轴，能够到达超音速束流。激光溶化所需要的功率大大小于激光气化切割的所需功率，仅仅为激光气化切割所需功率的十分之一。如果辅助气体是氧气的话，氧气和熔融板材发生了放热反应以后，速度要远远高于熔化切割速度，最高可达到熔化切割速度的6倍之多，这一整个过程被称作氧化融化激光切割。[1]
利用控制断裂激光来切割材料时，激光光斑附近压缩的应力在激光光束通过后，会变得松弛，由此产生局部参与的拉应力，发挥了减压的作用。控制断裂激光的切割过程能够分成3个阶段：起始阶段、稳定生长阶段、不稳定的断裂阶段。控制断裂激光一般都会用于厚陶瓷基板的切割。
激光烧灼切割材料时，有机材料会吸收激光中的紫外线脉冲，激光束通过打破材料的化学键，能够逐层移除一小部分微米厚的材料，这种切割技术一般被应用与服装行业。
二、不锈钢激光切割工艺
李永亮等学者利用格拉拉布斯异常值的检验方法结合最小二乘法对表面纹理最大峰值、切缝宽度和刮渣量进行了数据处理，在响应面法的基础上得到了表面纹理和表面切缝宽度的最大峰值、刮渣量这三个响应目标的预测函数，确定了利用激光切割3mm厚的304不锈钢的最佳工艺参数。
K Abdel Ghany等在研究连续波ND:YAG激光束和脉冲利用氧或氮气作为辅助气体来分别切割1.2mm奥氏体不锈钢板时发现，只要控制好切割速度、激光功率、切割方式、聚焦位置和脉冲频率，就能够提高切割质量，并且利用氮气作为辅助气体能够得到更加亮滑的切割面和更加小的切缝，不过利用氮气作为辅助气体的缺点在于成本较高。[2]
冯巧波在利用YAG脉冲激光来切割1mm厚的不锈钢时通过建立正交试验发现如果电流增大，那么切口下表面的挂渣量也会变大。
Ambar Choubey等对脉冲ND:YAG激光在水下环境和干燥空气下切割304厚的不锈钢板材的工艺如何优化进行了研究。研究发现，当脉冲持续时间从14ms延长到了20ms，就能够大大提高样品的切割速度，和原先在14ms脉冲持续时长下的切割速度相比，提高了大约3倍。在干燥环境下进行切割的切缝宽度、成渣的黏性和HAZ都要比水下切割的状态要好。
Sangwoo Seon等在研究6千瓦光纤激光器切割60mm厚的不锈钢板时发现，当施加等待时间时，就能提高初始的切割性能，但是由于对切割条件较敏感，因此不能够有效的应用在切割厚钢板中。Seong Y Oh通过研究发现，在用6KW光纤激光器切割60mm厚的不锈钢板时，采用超音速喷嘴能够提高切割质量。
三、不锈钢激光切割表面质量
Jetro Pocorni等采用了高速成像的技术对光纤激光切割前沿的流体力学和形态进行了研究，发现在利用光纤激光进行切割时，熔体膜在切割前沿的不同形态和不同流动特性会对切割质量产生不同的影响，使用光纤激光切割和CO2切割相比，CO2的固体和气体的界面要更加光滑，二光纤激光在氮气辅助的切割过程中，溶体的流动呈现出高度不稳定的状态，切边的平整度较低。[3]
孙建锋等学者在研究使用激光切割316L的不锈钢薄板时，建立了满足气化切割条件的成型参数、材料物性和切缝宽度组成的数学模型，并通过实验验证发现重铸层中热裂纹、刮渣、金属颗粒和波浪条纹构成了切缝缺陷。
D E Pessoa等学者对用激光来切割奥氏体不锈钢来制作成薄板试样的疲劳行为进行了讨论，发现使用激光切割有沿切割面呈现出明显凸起、重铸层和基体材料界面存在气孔、切割边缘下侧存在毛刺这三种宏观缺陷。利用激光切割过程中，在切割边缘的下方会由一部分排除的熔化材料凝固成了浮渣。气孔产生的切口效应和毛刺的切口效应能够降低材料的疲劳寿命。
四、结束语
本文通过讨论了国内外学者对激光切割不锈钢领域的研究进展，以及学者对激光切割不锈钢的工艺优化的评价，发现影响激光切割质量的参数众多，有材料类型和板厚工艺参数、激光参数等，激光参数包括激光的波长、功率和模式等，材料类型和板厚工艺参数包括脉冲的频率、宽度、切割速度等。在激光切割参数中影响切割质量的因素有上下切口宽度、表面粗糙度、浮渣、切口锥度、热影响、重铸层等。
综上所述，只有充分了解不锈钢激光切割工艺，控制好影响激光切割质量的参数，才能够提高不锈钢激光切割质量。
参考文献：
[1]居春艳.不锈钢激光切割加工工艺优化及表面质量研究[J].冶金与材料,2021,41(03):35-36.
[2]林锦明,姜超,顿亚鹏,杨艳艳,汪宏真.不锈钢激光切割加工工艺优化及表面质量研究[J].机电工程技术,2020,49(11):23-26.
[3]孙健峰,张庆茂,杨洲,郭亮,周斯伟.316L不锈钢光纤激光切割工艺优化研究[J].应用激光,2016,36(01):72-77.DOI:10.14128/j.cnki.al.20163601.072.