激光切割技術(shù)具有切割精度高、切縫窄、激光束垂直于工件表面、切口邊緣鋒利、無工具磨損，以及對熱影響區(qū)影響相對較小等優(yōu)點。激光切割技術(shù)的評價指標(biāo)主要包括兩個方面：一是切口斷面質(zhì)量，如掛渣、切口斜度、斷面粗糙度與熱影響區(qū)；二是形位公差，如孔的圓度、位置精度、重復(fù)精度及熱變形。通常情況下，激光切割金屬工件的精度可達(dá)約0.1mm，該精度已超過傳統(tǒng)模具加工所能達(dá)到的水平。然而，激光切割過程中產(chǎn)生的熱影響區(qū)會對鋼材的性能產(chǎn)生一定影響。研究人員針對不同鋼種（包括不同組織狀態(tài)的不銹鋼）在激光切割后的熱影響區(qū)展開分析與比較，研究結(jié)果可為提升冶金行業(yè)板材試樣加工的效率和加工質(zhì)量提供理論依據(jù)。
1 試驗材料與方法
1.1 試驗材料
選取常見的碳鋼（包括低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼）與不銹鋼（包括奧氏體、鐵素體、馬氏體及雙相不銹鋼）板材。將每種鋼種制備成多個相同尺寸的金相試樣，其化學(xué)成分與力學(xué)性能均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
1.2 激光切割參數(shù)
切割參數(shù)（特別是切割速率）對切割表面粗糙度、熱影響區(qū)寬度及表面宏觀缺陷有顯著影響。因此，試驗為所有切割試樣設(shè)定了相同的激光功率、切割速率和輔助氣體壓力，以確保試驗條件的一致性。
1.3 分析方法
1.3.1 金相檢驗
制備金相試樣，將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察。熱影響區(qū)邊界可以通過溫度梯度或相變等特征來確定。
1.3.2 硬度測試
采用維氏硬度計測量熱影響區(qū)及母材的硬度分布。沿垂直切割面的方向，從表面向內(nèi)部，每間隔80μm或100μm測量一個硬度，以觀察硬度的變化趨勢。
2 試驗結(jié)果與分析
2.1 板厚與熱影響區(qū)寬度
依據(jù)試驗方案，對多種牌號與厚度的碳鋼及不銹鋼試樣進行了大量物理試驗，以檢測其激光切割后熱影響區(qū)的分布情況。結(jié)果表明，熱影響區(qū)寬度與板材厚度無必然聯(lián)系。
2.1.1 碳鋼
根據(jù)第一組試驗方案，選取了5種不同牌號及厚度規(guī)格的碳素鋼進行激光切割，并對切割后的試樣開展金相檢驗，以測量熱影響區(qū)的寬度。激光切割后不同鋼種與板厚碳素鋼的熱影響區(qū)寬度如表1所示。由表1可知：熱影響區(qū)寬度與板厚之間無明確相關(guān)性。
2.1.2 不銹鋼
根據(jù)第二組試驗方案，同樣選取了5種不同牌號及厚度規(guī)格的奧氏體不銹鋼進行激光切割，并對切割后的試樣進行金相檢驗，以測定熱影響區(qū)的寬度。表2列出了不同鋼種與板厚的奧氏體不銹鋼在激光切割后的熱影響區(qū)寬度。結(jié)果表明：不同牌號奧氏體不銹鋼激光切割熱影響區(qū)寬度與板厚之間無明確相關(guān)性。
2.2 顯微組織
激光切斷材料時的溫度極高，切口區(qū)域由表層至內(nèi)部依次形成熔化區(qū)（鑄態(tài)組織）、熱影響區(qū)（碳素鋼中通常包括相變區(qū)與晶粒長大區(qū)），以及基體材料。在激光切割過程中，熱影響區(qū)受熱循環(huán)作用，其組織可能發(fā)生相變、晶粒長大或其他微觀結(jié)構(gòu)的變化。
2.2.1 碳鋼
不同碳鋼熱影響區(qū)的金相檢驗結(jié)果如圖1~3所示。由圖1~3可知：低碳鋼（Q345鋼，厚度6mm，正火態(tài)）的組織主要為馬氏體、鐵素體及少量珠光體，變化相對較小；中碳鋼（45鋼，厚度5mm，退火態(tài)）出現(xiàn)了部分馬氏體與貝氏體，組織變化較為明顯；高碳鋼（61Si2Mn鋼，厚度5mm，熱軋態(tài)）則含有大量馬氏體和殘余奧氏體，組織變化最為顯著。所有試樣的熱影響區(qū)寬度均小于0.6mm。
2.2.2 不銹鋼
通過光學(xué)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，不同類型不銹鋼板材經(jīng)激光切割后，其熱影響區(qū)寬度存在差異（見圖4~7）。 其 中，奧 氏 體 不 銹 鋼（S30408鋼，厚度6.0mm）、鐵素體不銹鋼（SUS430 鋼，厚度6mm）、馬氏體不銹鋼（40Cr13鋼，厚度10mm）及雙相不銹鋼（S32168鋼，厚度10mm）的熱影響區(qū)寬度均小于0.3mm。
在熱影響區(qū)內(nèi)，各類不銹鋼的顯微組織均發(fā)生不同程度的變化：奧氏體不銹鋼中出現(xiàn)了少量孿晶與位錯；鐵素體不銹鋼無明顯熱影響區(qū)；馬氏體不銹鋼發(fā)生了明顯的馬氏體相變，導(dǎo)致硬度顯著提高；雙相不銹鋼中則呈現(xiàn)鐵素體與奧氏體兩相比例的變化。
2.3 硬度分布
采用維氏硬度計對不同類型鋼種的熱影響區(qū)進行測試，結(jié)果如圖8~10所示。由圖 8~10可知：不同成分與組織的鋼種在激光切割后，其熱影響區(qū)硬度均出現(xiàn)不同程度的升高。
2.3.1 碳鋼
低碳鋼Q345熱影響區(qū)的硬度有所增加，但變化幅度有限；中碳45鋼的熱影響區(qū)硬度則呈現(xiàn)明顯的梯度變化，其峰值硬度出現(xiàn)在靠近切割面的區(qū)域；高碳彈簧鋼61Si2Mn的基體硬度本身高于中、低碳鋼，但其熱影響區(qū)出現(xiàn)了輕微的軟化現(xiàn)象，硬度呈現(xiàn)小幅下降趨勢。
2.3.2 不銹鋼
激光切割導(dǎo)致不同組織不銹鋼的熱影響區(qū)硬度均有所增大，其增大幅度因組織類型而異（見圖11~14）：馬氏體不銹鋼的硬度增幅最為顯著；雙相不銹鋼次之，呈小幅增大趨勢；鐵素體不銹鋼僅表現(xiàn)為切割表面硬度增大，而奧氏體不銹鋼的硬度增大極不明顯。
3 精加工余量的確定
根據(jù)試驗結(jié)果，確定了符合GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》附錄B中“表B.2激光切割加工余量的選擇”所規(guī)定的加工余量，即在激光切割參數(shù)正常設(shè)定的情況下，不區(qū)分鋼種，25mm厚度以下板材的熱影響區(qū)寬度不超過1mm。考慮到機床夾具的定位偏差，試樣單邊加工余量統(tǒng)一取為1.5mm（見表3）。
4 結(jié)論
（1）不同厚度相同鋼種在激光切割后的熱影響區(qū)寬度與板厚沒有必然聯(lián)系。
（2）激光切割后不同鋼種的熱影響區(qū)表現(xiàn)出不同的顯微組織和硬度。碳鋼的熱影響區(qū)較為明顯，可能會影響其力學(xué)性能。
（3）不同組織類型的不銹鋼在激光切割后，其熱影響區(qū)寬度和顯微組織的變化存在差異。奧氏體不銹鋼的熱影響區(qū)寬度較窄，顯微組織變化相對較??；鐵素體不銹鋼無明顯熱影響區(qū)；而馬氏體不銹鋼和雙相不銹鋼的熱影響區(qū)相對較寬，且顯微組織發(fā)生明顯的相變。
（4）在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)鋼種的特點和具體需求，合理選擇激光切割參數(shù)，以減小熱影響區(qū)的不利影響。
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