3-19 钢壳体外表面激光刻槽工艺

李彦文 滕亚钢 柳进转

　　在钢壳体外表面上进行环向与轴向刻槽，呈码砖式交错刻槽分布，要求槽深度为8~12mm，槽宽越窄越好，采用传统的机加工工艺难以满足这些要求。为了探寻适用的刻槽工艺，进行了特定材质20^#钢和30CrMnSi钢的CO₂激光刻槽工艺研究。选用氧气作为与激光束同轴的辅助气体吹除刻槽熔渣，在高温下铁氧发生燃烧反应，熔渣为铁氧化合物和铁的混合物，这避免了熔渣焊接槽的现象；同时铁氧燃烧是放热反应，提供了除激光以外的第二个能量来源。

　　采用将工件浸入水中，激光加工头伸入水下的冷却方法，在工件浸水深度（即工件表面到水面距离）大于20mm时，可克服预制破片这样槽分布密集以及相邻刻槽余热引起的严重烧伤现象；同时克服了熔渣烧伤喷嘴的现象。发现刻槽深度大（如大于6mm），存在槽内部烧伤现象，使槽断面呈不规则“火柴头”形状，刻槽深度不稳定；这起因于深刻槽排渣困难，使槽内部过热，加剧了铁氧燃烧反应，放出了多余的热；采取了把氧气混合氮气作为辅助气体的措施，通过适当选取气体配比，在增大混合气体压力，提高气体对熔渣去除力的同时，使氧气供给量不致于过大，达到了抑制槽内烧伤现象的效果。

　　大量试验表明：对20^#钢，激光功率为1500~1700W，焦点在工件表面上方1.5~3.0mm，喷嘴与工件间距为3.0mm，N₂:O₂为15:85~19:81，气体压力为0.1~0.2MPa，工件浸水深度为 20~25mm，刻槽速度范围为75~500mm/min（对30CrMnSi钢，与20^#钢的差别是N₂:O₂为19:81~28:72, 刻槽速度为150~400mm/min），刻槽深度为8.0~12.0mm（深度不均匀性≤±0.5~1.0mm），槽宽度为0.45~0.80mm。

　　选定某组工艺条件，改变刻槽速度，可以获得所要求的刻槽深度；改变焦点到工件的距离，可以获得所要求的刻槽宽度。还发现进行码砖式刻槽，存在交接点烧伤和刻槽深度不稳定的现象，采取了环向刻槽—去渣—轴向（码砖式）刻槽的工艺路线，并且使轴向的码砖式刻槽在交接点处激光束避开环向槽半个槽宽后，这些现象得到了抑制。实际加工了几个圆筒壳体样品，表明激光刻槽工艺稳定、可靠和实用。