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优化激光切割截面质量的研究

更新时间:2009-03-28

0 前 言

  

图1 影响激光切割质量因素

激光切割加工是利用激光技术的一种新型加工技术,近几年在机械加工行业中被广泛采用.它是通过激光器产生激光束,光束直接照射到加工材料上,将光能转化成热能对切割板材快速升温从而熔化和气化,同时利用带有一定压强的辅助气体由把融化的熔渣清理干净形成切缝.切割零件的形状和线路通过与切割设备相连的计算机预先画好图并设置好,激光切割头按照路径和设定好的速度进行均匀移动,最终切割出想要的切割零件形状和尺寸.激光切割加工中涉及到很多方面的知识,如激光光束能量的产生,辅助气体压强配合不同切割材料切割尺寸的变化,切割中切割材料的熔化和气化问题,以及熔化金属流动性以及切割能量梯级场的变化等等.因此,想要获得良好的切割界面质量并不简单,需要各个情况都考虑仔细并且各个切割参数都设置合理适当才可以做到.总结下来,影响激光切割界面质量的有三大方面:切割材料性能(包括物理性能和化学性能),激光能量性能以及切割工艺参数.之前就有科学家就以这三大方面为基础总结了影响激光切割质量的因素,多达60多条.如图1.

切割材料选择不当,激光能量不足或者切割参数不适合准确的情况下,都会出现一定的切割质量问题.其中最容易出现的切割质量缺陷就是切割截面过烧和挂渣现象.如图2.

  

切割过烧 截面挂渣

 

2 激光切割缺陷

1 切割材料对切割质量的影响

在传统机械加工方式中,有很多板材很难进行切割加工甚至无法进行切割.出现了激光切割这种加工方式之后很大程度上解决了这些问题,尤其是对于碳钢板材和零件的加工,激光切割的应用最广泛.目前加工中最普遍的是碳钢材料,其中铁的含量能够达到99%,其余的1%为碳.在切割这种材料时最合适的方法是采用氧气助燃切割,高压打孔,低压切割的方式.激光对铁进行快速加热,铁元素在高温的状态下与氧气结合必然会发生氧化反应.单靠激光的能量对材料进行切割是有限的,所以氧化反应产生的热量对切割过程起到了很重要的作用.可以提高切割效率,也可以提高切割速度.

同时由切割喷嘴喷出的氧气带有一定的气压能量,可以吹净切割熔渣.切割后粘结在切缝处的氧化物熔点和黏度都不高,所以很容易被带有气压的气体吹净,使得可以得到一个光滑整洁的切割缝.并且对于这样的切割方式得到的截面质量可以足够平整光洁,可以作为最终的成品件,不用再次修整.但是如果切割板材比较厚的时候,就需要采用直径比较大的切割喷嘴和较大的辅助气体压力.如果切割材料太厚,就不容易得到好截面质量,甚至出现切割不透的现象.

以切割功率为800W的光纤激光切割机为例,它最适合切割厚度小于2mm的不锈钢板和小于5mm的碳钢板.通过多次现场切割试验可以发现,当对小于1mm的不锈钢板进行切割时,可以得到非常好的切割质量.当厚度大于1mm时,就会容易出现切割熔渣粘结在切割缝上现象,当超过2mm米时甚至会无法切割.所以,切割板材厚度影响到切割截面质量的优劣.另外切割板材表面的平整度粗糙度和是否有锈斑也影响到截面情况,通常切割板材平面平整精细就会容易得到良好的截面质量.如果表面坑洼不平或者有过多的铁锈,切割截面就可能受到影响.

2 激光能量对切割质量的影响

切割速度对切割质量的影响:切割速度会受很多因素的影响,如切割材质、板材厚度、材料熔点和导热性能等,这些因素只有有一种变化,切割速度就需要进行相应的调整.切割材料密度越大厚度越厚所需要的切割速度越慢,因为只有激光束移动的比较慢才可以保证足够的作用于切割材料的能量以进行切割加工.增大激光切割功率值可以保证功率密度的大小,热影响区域小,保证缝窄截面光滑平整.反之切割速度过快,就会造成瞬间点的切割能量不足以熔化或燃烧切割材料从而出现挂渣现象造成截面质量差.速度过慢时会造成过熔现象造成粘结熔渣,影响切割截面质量.

DOF=16λ(f/D)2π

影响激光切割质量的参数还有激光横模、激光偏振、离焦量和切割功率,但是最直接的主要影响参数就是以上分析的三类.

以下是对一切割截面在显微镜下做的微观组织形状,可以测得波峰波谷.

3 切割参数对切割质量的影响

想要获得良好的激光切割缝质量,也就是要使得切缝窄小光滑,那就必须使得切割过程中的能量影响区域面积小.假设其他情况不变,要获得小的切割热量影响区,只需要获得高的切割能量密度,保证激光聚焦的直径足够小就可以.

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1 截面微观波峰与波谷数据(单位:μm)

  

峰谷和顺序12345(a)波峰1071059010294波谷9688889190(b)波峰6175917885波谷4555805975(c)波峰9585886162波谷6759673336(d)波峰116101806056波谷9575625245(e)波峰98931410914波谷87931994(f)波峰1041021081426波谷899296016

  

(a)(b)(c)(d)(e)(f)

3 样件截面微观图

可以利用公式以及切割的实际数据进行计算截面质量从而对切割截面进行评估,再此不展开深入研究.

切割气体压力对切割质量的影响:在利用激光束进行的切割中,必须要采用辅助气体,通常采用最多的是氧气、氮气和空气.它起到疏散热量、帮助燃烧和吹净熔渣的作用.切割碳钢是采用氧气,加工不锈钢时采用氮气.截面质量的好坏受到辅助气体种类、纯净度和压强大小的影响.通常气体压力越大,熔渣吹的越干净,截面质量也就越好,但是当压力超过一个临界值之后,过大的气体压力波会影响到激光束能量场,造成切割速度降低或者无法切割的现象.所以在切割时,需要控制好切割气体的压力值,过低或过高都会影响到激光切割质量.

利用激光束能量进行的切割方式和传统的刀具切削类似.它的激光焦距深度就仿佛刀具的切削刃大小,切割功率类似于切削力.只有一定的激光焦距深度和切割功率,才可以进行切割,这是必须条件,否则切割也就无法实现.科学表达上,用瑞丽区域这一名词来表示激光切割深度,也就是通常所说的焦距深度.关系式表达如下:

孤岛油田中二中Ng5,油藏埋深1 280m,油层有效厚度13.5m,原油黏度4.938Pa·s,转热采前区块含水大于90%,2004年开始转热采,转热采后平均单井日产油能力由2.8t提高到6.5t,采收率由24.1%提高到36.5%,采收率提高了12.4%。

切割焦距对切割质量的影响:要获得缝隙窄小的优质切割缝,需要效率较高的切割能量,保证切割焦距适当.不同的焦点位置对切割材料的作用能量是不一样的,所以获得的截面粗糙度情况也不一样.通常,焦距分为负焦距、内负焦距和0焦距三种.当激光焦点位置在切割面上部时属于负焦距,一般在切割厚度比较大的材料时用到.板材厚,切割幅度大,会因为切割辅助气体氧气输送不够而减小氧化反应造成温度不足,切割截面熔化不足所以粗糙不平.当切割精度较高的工件时,不适合采用负焦距这种方式.当激光焦点位置处于切割板材上表面之下,下表面之上也就是切割材料内部时称为内负焦距.在切割铝质材料和不锈钢金属时采用这种方式,切割中它需要更大的切割辅助气体压力和较长的穿孔时间,因此适合切割较硬的材质.当切割焦点恰好位于切割板材表面时,称为0焦距切割.这种方式的焦点位置不容易调节,所以只用在切割一些特殊材料依加工工艺而定.

实际切割时,切割设备选定好以后,激光器的型号和功率就都已经确定了,激光能量就是定好的.选定了切割材料以后,材料也是一定的,那么影响切割质量的最大因素就是切割参数了.通过一组合适的切割参数获得良好的切割质量是一件不容易的事情,因为切割参数很多,并且参数对切割条件及切割板材各方面都很敏感,参数只要稍微变动,截面粗糙度平整度情况会发生明显的变化.

关系式中:光束波长度用λ表示,激光焦距用f表示,聚焦透镜的直径用D表示.

第二,进一步扩大公共财政投入规模。要积极协调有关部门落实中央和地方水利建设资金,确保各级财政对水利投入的总量和增幅都有明显提高,进一步提高水利建设资金在国家和地方固定资产投资中的比重,大幅度增加中央和地方财政专项水利资金。要根据规划确定的目标任务,确保重点骨干工程和民生水利工程建设的资金需求,特别是各地要优先落实中央投资项目的地方配套资金,确保工程建设进度、质量和效益。要在稳定现有规模的基础上,积极开辟新的投资领域,争取增列农村河道综合整治、高效节水灌溉、革命老区水土保持等财政专项,争取将水生态补偿纳入国家生态补偿政策体系,开展水源区涵养补偿和水生态修复补偿试点。

4 结 论

通过以上的分析可知,要保证激光切割截面质量良好需要控制好很多方面.总体包含切割材料、切割能量和切割参数三个大的方面.想要得到理想的优良的切割截面,需要保证板材材质及表面质量良好,切割的激光器质量足以产生良好足够的切割能量,另外还需要调整好每一个切割过程中所需要的切割参数,如切割速度、切割功率、辅助气体压强、切割焦距等参数值.另外一些基本的条件也是不可以忽略的,比如切割板材的厚度对质量的影响,板材越薄切割质量越好.切割过程中对切割工件固定的方式也很重要,虽然激光切割这种加工方式最大的优点就是切割速度快、变形小、速度快,但是切割过程中还是有切割力产生,如果切割中工件移动那对切割质量必然会造成直接的影响.

林毅夫教授强调,学习使用经济学理论,要注意“一分析、三归纳方法”。“一分析”指要了解谁是决策者,分析他的限制条件、选择范围是什么,选择范围里面每个可选方案的特性是什么,方案的相对机会成本是多少。“三归纳”指当代横向归纳法、历史纵向归纳法和多现象综合归纳法。

“十二五”期间,国家把农田水利建设作为农村基础设施建设的重中之重,这是加强农田水利基本建设的重大机遇,必须切实加快农田水利基本建设步伐,为农业和农村经济又好又快发展打下坚实基础。

 
王新明,马晓欣,刘丽娟
《河北建筑工程学院学报》2018年第01期文献

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