（机械电子工程专业论文）机器人光纤激光切割系统切割碳钢工艺研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文 编入中国学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向 社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 一 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名： 酢亚孚 年月e t 指导教师签名： 年月日 分类号 u d c 密级 编号 硕士学位论文 机器人光纤激光切割系统切割 碳钢工艺研究 l u li ii iii lli i ii ii i ii ii y 18 9 4 9 8 3 指导教师 韭丞鏖【教援) 矍垫文( 直王2 作者姓名医亚笙 申请学位级别 巫土学科( 专业)扭越电壬工程 论文提交日期2 q 里羔! 垒论文答辩日期2 0 11 6 学位授予单位和日期 江菱太堂扭缝工猩堂随 答辩委员会主席 评阅人 江苏大学硕士学位论文 摘要 近几年中，光纤激光对材料的加工经历飞速发展。由于光纤激光能够提供 高质量且易被金属材料吸收的短波长光束，光纤激光器冲击了对切割领域占有 主要市场的c 0 2 激光。然而，光纤激光切割是一种新型的工业应用，工艺特性 及应用还有待研究。 本论文结合热力学理论，建立数学模型分析碳钢对c 0 2 激光和光纤激光的 吸收率；将光纤激光器、光纤切割头、机器人、p l c 、松下伺服电机、水冷系 统、工装夹具等组成机器人光纤切割系统，该系统运用p l c 控制松下伺服电机， 使切割头喷嘴在切割过程中始终与切割金属保持所设置的高度，机器人控制光 纤激光器发射连续与脉冲激光；以机器人光纤激光切割系统切割l m m 至1 6 m m 碳钢为试验，研究了工艺参数变化对切缝宽度及粗糙度的影响，同时，比较了 c 0 2 激光切割碳钢的效率与切割的端面质量，分析了光纤激光切割中条纹、溶 渣产生的机理。结果表明： ( 1 ) 数学模型与试验都证明在碳钢的切割中，薄板对大功率光纤激光吸收 率比c 0 2 激光的吸收率好，中厚板对光纤激光的吸收率比c 0 2 激光的吸收率要 低。所以，薄板的切割中，光纤激光比c 0 2 激光切割的速度要快，效率要高， 光洁度要好；中厚板切割中，光纤激光的切割速度比不上c 0 2 激光，且切割中 易产生条纹。 ( 2 ) 三组焦距切缝宽度试验中，用1 2 5 m m 的光纤聚焦镜切割时，切缝宽 度随离焦的变化而变化最大，2 5 0 r a m 的聚焦镜最小。切缝宽度随功率的增大而 增大，速度的增大而减小，随气压的变化而表现平缓。 ( 3 ) 碳钢粗糙度试验中，比较了光纤激光与c 0 2 激光随着功率，气压， 速度，切割端面粗糙度的变化趋势，并分析常见切割中条纹，溶渣产生的原因， 提出了改进切割质量的方案。 ( 4 ) 切割碳钢厚度的试验中，分4 个档次5 0 0 w 、1 0 0 0 w 、1 5 0 0 w 、2 0 0 0 w 机器人光纤激光切割系统切割碳钢工艺研究 比较光纤激光与c 0 2 激光分别能切割碳钢的最大厚度，光纤激光与c 0 2 激光切 割在厚度方面相差不大。 关键词：光纤激光；c o 。激光；吸收率；碳钢切割； 工艺 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i b e rl a s e rf o rm a t e r i a l sp r o c e s s i n gh a su n d e r g o n ear a p i dd e v e l o p m e n ti nt h e p a s ts e v e r a ly e a r s a sf i b e rl a s e rp r o v i d e sa c o m b i n a t i o no fh i g hb e a m q u a l i t ya n da s h o r t e rw a v e l e n g t ht h a ti se a s i l ya b s o r b e db ym e t a ls u r f a c e s ，t h en a m e df u t u r el a s e r i se x p e c t e dt oc h a l l e n g et h ec 0 2i nt h ea r e ao fm e t a lc u t t i n g h o w e v e r , f i b e rl a s e r c u t t i n gi san e wt y p eo fi n d u s t r ya p p l i c a t i o n t h ec h a r a c t e ro ff i b e rl a s e r sp r o c e s s n e e d st ob er e s e a r c h e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do nt h et h e o r yo ft h e r m o d y n a m i c s ，am a t h e m a t i c a l m o d e lh a sb e e nb u i l tf o rt h ea n a l y s i so ft h ea b s o r p t i v i t yo fm i l ds t e e lt oc 0 2a n d f i b e rl a s e r t h er o b o tf i b e r l a s e rc u t t i n gs y s t e mh a sb e e ni n t e g r a t e d ，w h i c hi s c o m p o s e do ft h ef i b e rl a s e r , c u t t i n gh e a do ff i b e rl a s e r , r o b o t ，w a t e rc o o l i n gs y s t e m ， f i x t u r e p l ca n dp a n a s o n i cs e r v om o t o ra n ds oo n s e r v om o t o ri sc o n t r o l l e db y p l csi m e n ss 72 0 0 s oa st ok e e pt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ec u t t i n gh e a da n dt h e m i l ds t e e l t h er o b o tc o n t r o lf i b e rl a s e rt oe m i tc o n t i n u i n ga n dp u l s el a s e r t h et e s t o fr o b o t - f i b e rl a s e rc u t t i n gm i l ds t e e lw h o s et h i c k n e s si sf r o ml m mt o1 6 m mh a s b e e nd o n e t h ei n f l u e n c eo ft h ep a r a m e t e r so nk e f fw i d t ha n dr o u g h n e s sh a sb e e n i n v e s t i g a t e d m e a n w h i l e ，t h ek e r rw i d t ha n dr o u g h n e s so fc 0 2g a sl a s e rc u t t i n gm i l d s t e e lh a v eb e e nc o m p a r e dw i t hf i b e rl a s e r t h em e c h a n i s mo fs t r i a t i o na n dd r o s s a t t a c h m e n th a sb e e na n a l y z e d t h er e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) b o t ht h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt e s th a v ep r o v e dt h a tt h ea b s o r p t i v i t yo f f i b e rl a s e rc u t t i n gt h i nb o a r di sb e t t e rt h a nc 0 2g a sl a s e r h o w e v e r , t h er e s u l to f c u t t i n gt h i c km i l ds t e e li so p p o s i t e t h es p e e do ff i b e rl a s e rc u t t i n gt h i nm i l ds t e e li s f a s t e rt h a nc 0 2g a sl a s e r s ，w h i l et h es p e e do ff i b e rl a s e rc u t t i n gt h i c km i l ds t e e li s s l o w e rt h a nc 0 2g a sl a s e r ( 2 ) i nt h ek e f fw i d t ht e s tu s i n gt h r e eg r o u p so ff o c u s ，t h ew i d t ho fk e r fc u tb y 1 2 5 m mf o c u sl e n sc h a n g e sg r e a t e ra st h ed e f o c u sc h a n g e s w h i l et h ew i d t ho fk e f f c u tb y2 5 0 m mf o c u sl e n sc h a n g e sl e a s ta st h ed e f o c u sc h a n g e ( 3 ) i nt h et e s to fc u t t i n gm i l ds t e e l ，t h er o u g h h e s sf o r m e db yt h ec u to ff i b e r 机器人光纤激光切割系统切割碳钢工艺研究 l a s e ri sc o m p a r e dw i t hc 0 2g a sl a s e rc u u i n g u n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r s t h er e a s o n s o ft h es t r i a t i o na n dd r o s so fc u t t i n gm i l ds t e e lh a sb e e na n a l y z e d ，a n dt h ep r o g r a mt o i m p r o v et h ec u t t i n g q u a l i t yh a sb e e np r o p o s e d ( 4 ) i nt h et e s to fc u t t i n gt h i c km i l ds t e e l ，t h ep o w e ro f2 0 0 0 wh a sb e e n s e p a r a t e di n t of o u rc l a s s5 0 0 w , 1 0 0 0 w , 1 5 0 0 w , 2 0 0 0 w t h ec o m p a r i s o no ft h e t h i c k n e s sb e t w e e nf i b e rl a s e ra n dc 0 2l a s e rh a sb e e nd o n e b o t ht h ef i b e rl a s e ta n d c 0 2l a s e rc u tt h es a m et h i c k n e s s t h e r ei sl i t t l ed i f f e r e n c eo nt h et h i c k n e s sc u tb y f i b e rl a s e ra n dc 0 2l a s e r k e yw o r d s ：f i b e rl a s e r ，a b s o r p t i v i t y , m i l ds t e e lc u t t i n g ，p r o c e s s i v 1 2 激光切割技术的现状4 1 2 1 国外现状4 1 2 2 国内现状4 1 3 机器人光纤激光切割研究的现状5 1 3 1 光纤激光工艺应用研究现状5 1 3 2 机器人激光切割系统研究现状7 1 4 本文的研究内容7 第二章激光切割理论及吸收率模型 2 1 激光切割的原理9 2 2 光束质量参数对切割的影响1 0 2 2 1 光束的波长1 1 2 2 2 光束的能量，功率密度与光斑大小1 1 2 2 3 激光的偏振1 2 2 2 4 激光的模式1 2 2 2 5 光束的b p p 1 3 2 3 碳钢对光纤激光和c 0 2 激光的吸收率数学模型1 4 2 3 1 工艺模型1 4 2 3 2 激光能量在碳钢上的吸收1 7 2 3 3 切割前端面的倾斜角及与平均效率密度2 0 2 4 本章小结2 1 第三章机器人光纤激光切割系统。2 2 3 1 机器人光纤激光切割系统的组成2 2 3 1 1 高功率光纤激光器2 3 3 1 2 机器人2 5 3 1 3 光纤激光切割头2 7 3 1 4 辅助部件2 8 3 2 系统设计2 9 3 2 1 光纤切割头随动系统2 9 3 2 2 水冷系统设计3 1 3 2 3 气路设计3 2 3 3 本章小结。3 2 第四章机器人光纤激光切割系统切割碳钢的试验。3 3 4 1 试验条件。3 3 v 机器人光纤激光切割系统切割碳钢工艺研究 4 1 1 设备条件3 3 4 1 2 切割材料3 4 4 1 3 夹具3 4 4 2 试验方案的建立。3 5 4 2 1 切缝宽度试验的方案3 5 4 2 2 碳钢切割端面质量与效率的试验方案3 5 4 2 3 大功率光纤激光器切割碳钢的厚度试验方案3 5 4 3 本章小节。3 6 第五章试验结论与分析。3 7 5 1 切缝宽度的试验结论与分析。3 7 5 1 1 三组焦距中不同离焦量对宽度的影响3 8 5 1 2 功率对切缝宽度的影响4 0 5 1 3 切割速度对切缝宽度的影响4 0 5 1 4 气压对切缝宽度的影响4 1 5 1 5 大功率光纤激光器与c 0 2 激光器宽度的比较4 2 5 2 切割面粗糙度试验及分析4 2 5 2 1 光纤激光与c 0 2 激光切割碳钢的测量结果4 3 5 2 2 结论分析4 5 5 3 大功率光纤激光与c 0 2 激光切割碳钢最大厚度实验4 6 5 3 1 光纤激光与c 0 2 激光切割碳钢的最大厚度的结果。4 6 5 3 2 结论分析4 7 5 4 光纤激光切割的问题分析。4 8 5 4 1 光纤激光切割的条纹4 8 5 4 2 溶渣的产生5 1 5 5 本章小结。5 2 第六章展望与总结。5 3 6 1 总结5 3 6 2 研究展望5 3 附录a ：切割头随动控制程序5 4 附录b - a b b 机器人切割碳钢程序设计。6 2 参考文献6 5 致谢6 9 攻读硕士期间发表的学术论文。7 0 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和课题来源 激光切割是一种广泛应用的加工技术。其工业应用始于7 0 年代初，最初用 在硬木板上切非穿透槽，嵌刀片，制造冲剪纸箱板的模具。随着激光器件和加工 技术的进步，其应用领域逐步扩大到低碳钢、不锈钢等金属。目前激光切割已 广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和 冶金等工业部门中，成为激光加工行业中最重要的一项应用技术，它占整个激 光加工业的7 0 以上f 卜1 0 l ，并且可以大大降低生产成本，加工精密度高，产品 质量可靠【1 l j 。传统的切割方式是数控等离子切割、数控火焰切割，这两种切割 方式各有其适用的范围和优点，但也有明显的不足之处，尤其割缝质量不尽如 人意。等离子切割边缘有斜度，切割中厚板时表面质量下降，切割时烟尘污染 严重。火焰切割厚板时，只能切割低碳钢和低合金钢，穿孔需很长的预热时间， 上边易溶塌，下边易形成挂渣，而且以上两种切割方式切割精度都难以进一步 提高，增加了后道工序的工作量。目前，高压水切割，又名“水刀 开始也变 得越来越广泛。但这种水切割最大的优点是热变形小，但切割的速度很慢，特 别适合切割厚板。四种切割方法的比较如表1 1 的形式。 由表1 1 可知，激光切割具有以下特点： ( 1 ) 切割质量好。激光束聚焦成很小的光点，使得焦点处达到很高的功率 密度。这时激光输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的的部分，材料 很快加热至溶化或者汽化程度，因而切口宽度窄、精度高、热影响区小，切口 表面粗糙度低、无毛刺、垂直度高，由于是非接触式加工无接触应力，无机械 变形和刀锯磨损，工件一般不需要其他处理加工即可进行后续加工。 ( 2 ) 切割速度快。由于激光束直径很小能量很集中可以形成很高的功率密 度，当采用氧气辅助切割时氧气和被切割材料反应放热进一步加快切割速度。 ( 3 ) 自动化程度高。具有高的适应性和柔性，易于和自动化设备相结合， 容易实现切割过程的自动化，激光切割和计算机相结合具有无限仿形能力，并 可以整张排料，节省材料。 ( 4 ) 切割材料范围广，可以切割金属、非金属等，可以加工任何硬度的材 机器人光纤激光切割系统切割碳钢工艺研究 料，甚至可以切割透明的玻璃。 ( 5 ) 清洁、安全、无污染，大大改善了操作人员的工作环境。 表1 1 切割方法的比较1 1 2 】 t a b1 1 c o m p a r i s o no fs o m ec u t t i n gm e a n s 切割方法 项目 火焰切割等离子体切割高压水切割 激光切割 切缝宽宽较宽较宽 窄 热影响区 大大极小小 切割速度( 6 r a m )慢极快极慢 快 切割表面粗糙 差较差好极好 度 切割锐角质量 差差较好极好 三维切割可以可以不能可以 适用材料 窄较窄广广 设备投资小较小 高 。 高 激光切割是一个复杂的加工过程，不但有激光器本体的因素，而且可变的 加工参数主要包括激光功率，聚焦镜焦距，功率，切割速度，切割气体气压， 板材厚度等。这些参数之间不仅相互依存，同时有强烈的相互作用，都会影响 江苏大学硕士学位论文 c o m p a r i s i o nlk w l a s e r sc u t t i r t gm i l ds t e e lw i t h o x y g e n 6 0 c u t t i n gs p e e d4 0 m m i n 2 0 o ，r j 繁 缓 358 r a m1 。01 5 m mm mm m m m t h i c k n e s s 网 i 翻s ci l 旦! 垒笪j 图1 11 k w 光纤激光器切割碳钢与其它激光器的比较【1 3 l f i g 1 1c o m p a d s i o nl k wl a s e rc u t t i n gm i l ds t e e lw i t ho x y g e n 然而，大功率光纤激光在国内切割应用不久，2 0 0 9 年7 月7 日，i p g 宣布 在哈尔滨焊接研究所安装第一台6 k w 光纤激光器。到目前为止，大功率光纤切 割的工艺参数与传统的气体激光器的区别试验以前没有做过。特别是与传统的 c 0 2 激光器切割性能相比较，由于商业利益，评价得并不是客观。光纤激光器 具有灵活度高，光束质量好等特点，光纤激光器与工业机器人的集成应用更是 一个新的方向。机器人光纤切割系统能够灵活的实现三维切割。先进国家通过 机器人光纤切割系统在汽车制造业中取代了传统的冲裁工艺，不仅减少了模具 的数量，节省了模具的设计和制造费用，而且大大地缩短了样车研制周期，新 车的开发时间已由过去的2 - - 一3 年降到1 0 个月甚至更少的时间，显著降低了新 车研制成本。世界著名的汽车公司纷纷采用机器人激光切割工艺用于其汽车车 体的生产。美国v a h n a 国际公司利用激光切割系统加工、一年为g m ( 通用) 、f o r d ( 福特) 、c h r y s l e r ( 克莱斯勒) 等汽车公司切割5 万种样车车身零件；m a z d a ( 马自达) 等公司在批量较小的生产中利用机器人光纤激光切割修边、省去修 边模。 本论文来源于国家8 6 3 重点项目汽车白车身切割、焊接生产线项目编 号为：2 0 0 7 a a 0 4 2 0 0 6 的切割线研究内容。 3 机器人光纤激光切割系统切割碳钢工艺研究 1 2 激光切割技术的现状 1 2 1国外现状 作为先进制造技术之一的激光切割技术，由于其特有的、优异的加 而被广泛应用，西方工业化国家和先进的发展中国家均致力于这项技术 和应用，其正以每年1 5 - 2 0 的速度增长【悼1 6 】。以日本为例，目前己拥有激 光加工机2 万多台，约占全球激光加工机总量的1 3 ，其中为8 0 激光切割设备。 现在激光切割技术己从特殊用途的加工技术变为通用的、具有多种加工能力的 加工技术。几年前，美国科学家就预言“激光将成为未来制造业的通用手段 ， 德国亦有“无所不能的激光技术 的长篇报道。目前，国外探索的激光切割应 用范围正在不断地扩大，已达多个领域。激光被誉为“万能加工工具”、“未来制 手段”，不仅在国防工业领域而且在民用工业领域也获得了广 域来看，金属和非金属的激光切割是激光切割最主要的应用 代表性和应用最为广阔的是汽车制造业，该工业是激光切割 一，也是最大的潜在市场，尤为重要的是汽车工业愈来愈成 发展的关键因素。 情况相比，我国激光力n - v _ 技术研究起步较晚，工业基础不好， 平比较落后，工业生产自动化程度不是很高，但是国家在激 研究给予了相当的重视，除了将激光加工技术列入国家重点 国家自然科学基金、国家“8 6 3 ”计划、国家“火炬”计划等也有 。在“七五”期间，我国成功研制了c 0 2 低阶模横流激光器和 器，为激光切割应用创造了条件，并对钢板、合金钢、硬质 割工艺进行了研究。随着我国制造业的发展，许多产业部门 工技术和设备以提高产品质量、生产效率和加工柔性化，从 力。在我国，激光切割技术的推广和应用潜力很大，随着我 发展，许多传统产业需要改造，许多饭金j n ：i ：领域有待开发。 的激光器功率的增大，激光切割正从轻工业薄板的饭金加工 江苏大学硕士学位论文 向着重工业厚板切割方向发展。在新世纪之初，我【国还应加速研制厚板激光切 割的新产品、新工艺，以改造我国桥梁制造、建筑机械和造船等重工业的热切 割工艺，提高经济效益，以填补我国在厚板激光切副方面的空白。另外，我国 在激光三维切割方面的应用研究起步不久。国家自然科学基金委在1 9 9 7 年把 “大功率及激光三维焊接和切割理论与技术”作为重点项目进行资助，国家产学 研激光技术中心的有关学者对此进行了系统的研究，为在我国汽车车身制造业 中应用三维激光立体加工技术做出了很大贡献。北京工业大学国家产学研激光 技术中心针对激光的柔性加工，研究分析了激光加工的运动过程，采用面向对 象技术，利用a u t o c a d 的二次开发工具a r x ，开发出计算机辅助激光加工 软件系统。目前，随着市场和经济的快速发展，在汽车、航空、机车及工程机 械等行业对三维激光切割机的需求将会不断增大，对其参数、性能和可靠性等 各方面的要求也将不断提高。2 0 0 7 年，上海团结普瑞玛与意大利普瑞玛合作， 开发出第一台五轴三维c 0 2 激光切割机。 1 3 机器人光纤激光切割研究的现状 1 3 1光纤激光工艺应用研究现状 在过去的几十年里，光纤激光器一直用在电信行业。由于在1 9 9 0 年末在电 信市场的紧缩，光纤激光器不得不开始工业方面的应用f 1 7 1 。2 0 0 5 年，i p g 推出 了第一台2 k w 光纤激光器。在2 0 0 7 年，已经有了3 k w 至5 0 k w 的各种型号 的光纤激光器。2 0 0 9 年，大功率光纤激光器开始在我国销售。与传统的激光器 相比，光纤激光器具有能量转换效率高，光束质量好，维护简单等优势【堋。 目前，国内外已多方面开展了对大功率光纤激光工业应用研究。 德国f r a u n h o f e r 中心与i p g 合作研发了大功率光纤激光在汽车工业的远程焊 接与切割技术【1 9 1 。 h i m m e r ，t 等研究了切割中激光亮度对切割应用的影响，表明了大功率光纤 激光具有高亮度，适用于激光切割【捌，特别是在薄板的切割中，具有快速切割 等优势。 d i r kp e t r i n g 应用c a l c u t 软件对c 0 2 激光及光纤激光切割、及焊接进行了 仿真【2 1 j ，演示了在切割焊接中，气压、温度、焦点的影响，并通过光纤激光， 5 机器人光纤激光切割系统切割碳钢工艺研究 做远程焊接分析，从仿真角度比较了光纤激光与c 0 2 激光的切割，焊接性能。 o v eo l s e n ，f l e m m i n g 汞 用光纤激光器的两光路系统，控制溶熔金属从切缝 喷出【2 2 1 ，以用此来改变光纤激光切割金属的割缝质量，并用切割铝，不锈钢 试验来证明。 o ，n e i l l 等比较了光纤激光与磁盘激光器的切割金属时的差异【2 3 1 。单模的光 激光在切割时具有更快的切割速度，更高的切割质量。 p u r t o n e n ，t u o m a s 用不同的切割姿态，垂直工件及与工件成一定角度来切割 不锈钢i 纠，并以此来观察不锈钢的切割质量，研究了各最优化的参数与切割质 量的关系。 w a n d e r a ，c a t h e r i n e ，s a l m i n e n ，a n t t i 等人用4 k w 的光纤激光器与磁盘激光器 切割不锈钢【2 5 1 ，然后与传统的c 0 2 激光器在切割速度，切缝宽度，切割粗糙度， 倾斜度等方面比较，实验证明光纤激光器在1 3 m m 至2 3 m m 的厚度内切割的速度 有明显的优势，割缝也窄于c 0 2 激光器的切割质量。从而，论证光纤激光器不 仅在三维切割中能得到具有优势，在二维切割方面也能有较好的应用。 s p a r k e s ，m a r t i n ，g r o s s ，m a r k u s 用2 2 k w 光纤激光器切害1 6 m m 至1 0 m m 的3 0 4 不锈钢闭，改变气压、离焦点位置、喷嘴直径来研究参数对切割质量，并观察 到两种不同的溶化机理。 s c i n t i l l a ，l e o n a r d od a n i e l e ，t r i c a r i c o ，l u i g i 通过切割试验来观察光纤激光器， c 0 2 激光器，磁盘激光器的不同切割效果【明，并且比较了焦点光斑的大小与雷利 长度。 h i m m e r , t h o m a s ，p i n d e r , t h o m a s 用光纤激光器、进行远程切割 2 s 1 ，经过 试验发现光纤激光器在实现远程切割上有最大潜力，并对远程切割的改进提出了 方案。 h y u n d a i 电机公司用光纤激光器，工业机器人，远程焊接头组成了激光远 程焊接系统【2 9 1 。这种焊接系统很大地提高了焊接效率，被很多汽车公司所采用。 陈继民等利用i p g l 0 0 w 光纤激光器对0 2 m m 不锈钢做切割试验【加j ，通过影响 切缝的各因素进行试验，找出了影响切缝的主要因素和大致参数。 以上研究成果，研究光纤激光的切割，焊接工艺比较多，有些比较了光纤激 光器与c 0 2 激光器的各种性能，但从试验的角度，通过理论与完整的切割试验来 6 江苏大学硕士学位论文 比较大功率光纤激光器与c 0 2 激光器的切割质量的成果较少。因此，通过切割工 业上应用最为广泛的材料，从完整试验来比较光纤激光与c 0 2 激光的切割工艺十 分重要，有着长远的应用价值。 1 3 2 机器人激光切割系统研究现状 从1 9 9 0 年开始，德国v o l k s v a g e n ( 大众) 公司汉堡厂用两台激光机器人在生 产线上切右置方向盘孔和车身风板孔，切割精度达0 1 m m 。n i s s a n ( h 产1 公司 采用c 0 2 和y a g 激光结合机器人给车身板和塑料件修边。f o r d ( 福特) 汽车厂周 边就有4 0 0 家左右激光加工中心，其中很大一部分为机器人与激光结合，为汽 车厂提供零部件，v o l v o ( 沃尔沃) 是最早开发车顶机器人，激光焊接，切割技术 的厂家，其后世界各大汽车公司纷纷效仿，如德国大众公司的a u d i a 6 、g o l f a 4 、 p a s s a t 车型，b m w ( 宝马) 公司的5 系列和o p e l ( 欧宝) 公司的v e c t r a 车型车顶均采 用了激光焊接，及修边。g m ( 通用) 汽车公司采用了车身覆盖件激光焊接，切 割生产线，用来生产鲁米那4 门车和蒙特卡罗2 门车，使钢板的损失降低2 0 3 0 ，大大降低成本较高的镀锌钢板消耗。由此可见，机器人与激光集成系统 能很大提升汽车的制造能力。光纤激光器是一种新型的激光器，其相比传统的 激光器有光束质量高，光电转换效率高，维护简单等优点。研究光纤激光器与 机器人的集成系统能更大地推动制造业的发展。 随着大功率光纤激光不断在我国工业生产中的应用，国内对大功率光纤激 光的应用研究变得越来越重视。8 6 3 科研项目汽车白车身焊接、切割生产线 编号：2 0 0 7 a a 0 4 2 0 0 6 将大功率光纤激光应用于汽车白车身焊接、切割生产线。 机器人光纤切割系统作为生产线中一部分，其研究意义更是重大。 1 4 本文的研究内容 本文就是在8 6 3 项目的平台上，研究生产线部分的机器人光纤切割系统，并 且用机器人光纤切割系统切割碳钢试验，同时比较c 0 2 激光切割碳钢的工艺性 能，客观得到光纤激光切割碳钢的优势与劣势。主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 对新型光纤激光器的特点分析，并用激光切割理论结合热力学理论进行 推理，求导出碳钢对光纤激光及c 0 2 激光吸收率的数学模型。 ( 2 ) 将光纤激光器、光纤切割头、机器人、p l c 、松下伺服电机、工装夹具、 7 机器人光纤激光切割系统切割碳钢工艺研究 水冷系统等集成机器人光纤激光切割系统，并对控制程序进行设计。 ( 3 ) 利用机器人光纤切割系统对1 至1 6 r a m 的碳钢进行切割试验，研究各厚 度切割的最优化气压，切割速度，离焦量，功率、聚焦距离等工艺参数。同时比 较传统的c 0 2 气体激光器的切割质量，对切割产生的问题如条纹，溶渣等进行深 入分析，提出改进方案。 江苏大学硕士学位论文 第二章激光切割理论及吸收率模型 激光切割的过程是材料吸收光能并转化为热能使材料溶化，汽化的过程。同 其他激光加工方法一样，激光切割的物理基础是激光与物质的相互作用。光束本 质决定了这个相互作用的效率。光束的波长、模式、偏振、亮度b p p ，材料对光 束的吸收特点等等都综合决定了作用的效果。 2 1激光切割的原理 激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射处的材料迅速 熔化、气化、烧蚀或达到燃点，并借助光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而 实现割丌工件的一种热切割方法。 4 1 辅助气体p 雠e s sg a s 2 喷嘴c u t t i n gn o z z l e 3 喷嘴高度n o z z l eo f f s e t 4 - 0 j $ 1 速_ ) $ c u t t i n gs p e e d 5 熔融物m o l t e nm a t e r i a l6 渣d r o s s 7 切割粗糙度c u tr o u g h n e s s8 热影响区h e a ta f f e c t e dz o n e9 害i j 缝宽度k e r f w i d t h 图2 1 激光切割原理 f i g 2 1p r i n c i p l eo fl a s e rc u t t i n g 激光切割根据工件的热物理性和辅助气体的性质，分为汽化切割，熔化切割， 氧化切割。 1 汽化切割 激光束焦点处功率密度非常高，可达l o 哳c m 2 以上，激光光能转换成热能， 保持在极小的范围内，材料很快被加热至汽化温度，部分材料汽化为蒸汽逸去， 9 机 汽化切割过程中，带走质点和冲刷碎屑，形成孔洞。汽化过程中，材料的 4 0 化作蒸汽逸去，其余约6 0 ，则以熔滴形式被辅助气流吹走。 2 熔化切割 当入射的激光束的功率密度超过某一阈值时，被激光束照射处的材料内部 开始蒸发，形成孔洞，作为黑体吸收所有的入射激光束能量。小孔被熔化金属 所包围。与激光束同轴的辅助气体，把孔洞周围的熔融材料带走、驱除。这种 切割机制的功率密度在1 0 7 w c m 2 左右。 3 氧化熔化切割 如果在熔化切割过程中吹送氧气，作为切割辅助气体，材料在激光束照射下 被点燃，与氧气发生激烈的化学反应，从而产生另一热源，称为氧化熔化切割。 ( 1 ) 材料表面在激光束照射下，很快被加热到燃点温度，与氧气发生激烈的 燃烧反应，放出大量热量，在此热量作用下，材料内部形成充满蒸汽的小孔， 而小孔周围为熔融的加工材料所包围。 ( 2 ) 燃烧物质转移成熔渣，控制氧和加工材料的燃烧速度，氧气流速越高， 燃烧化学反应和去除熔渣的速度也越快。但是，如果氧气流速过快，将导致割 缝出口处的反应产物即金属氧化物的快速冷却，对切割质量造成不利影响。 ( 3 ) 切割过程存在两个热源：激光束照射能和化学反应所产生的热能。据估 计，切割碳钢时，氧化反应所产生的热能约占切割所需能量的6 0 。 ( 4 ) 在氧化熔化切割过程中，如果氧化燃烧的速度高于激光束移动速度，割 缝将变宽且粗糙，反之，如果移动速度慢，则割缝窄而光滑。 2 2 光束质量参数对切割的影响 光束质量参数包括波长，能量，功率密度与光斑大小，光的圆偏振，激光 模式与质量这些特性，从光束本质决定了切割的质量。 l o 江苏大学硕士学位论文 2 2 1 光束的波长 激光波长是由受激辅射的介质决定的【3 1 】。在物理过程包括能量藕合及效率， 稳定性及质量等方面，波长起着决定作用。它对材料表面的吸收率有重要影响。 对于特定的材料，有一定的波长范围能有最大的吸收率及最低的反射。例如： c 0 2 激光是一种对于非金属材料的好选择，这是因为非金属材料对c 0 2 激光有 高吸收率。由于光纤激光相比c 0 2 激光具有短的波长( 在l u m 的范围内，与 n d y a g 激光类似) ，光纤激光对于金属一般具有好的吸收率【1 3 1 。如图2 2 1 1 3 】 图2 2 室温下不同波长的各种金属的吸收率 1 3 】 f i g 2 2a b s o r p t i o no fan u m b e ro fm e t a l sa sf u n c t i o no fl a s e rr a d i a t i o nw a v e l e n g t hi nr o o m t e m p e r a t u r e 2 2 2 光束的能量，功率密度与光斑大小 激光系统的大小通常用功率来标定。激光束的功率通常用来衡量每秒钟发射 的总能量，没有足够的功率，就不能执行切割【3 2 1 。 激光束的功率被划分为很小面积的功率密度，激光束的功率密度为很小面积 的功率，在上面能量被集中。激光束的功率密度在切割中有优势。第一，它致使 材料快速地加热，这意味着在很短的时间里，热量能传递到周围的金属。结果， 它有高的切割速度和好的切割质量。第二，比起低功率密度，大多数金属在高功 率密度下对激光的反射率较低。因此，功率密度决定了它能切割的厚度【3 1 1 。 光斑大小是激光的辐射区域。在激光切割的应用中，它往往需要把激光束聚 焦到最小的的光斑区域。最大化激光的功率密度及产生精确的小的切缝是必要 的。由于光纤激光器具有低的衍射及好的光束质量，能够得到比传统激光更小的 光斑及产生更长的工作距离。1 k w 的激光器能用1 0 0 m m 聚焦镜聚焦至u 5 0 u m 的光 机器人光纤激光切割系统切割碳钢工艺研究 斑。8 k w 的激光器能用2 5 0 m m 的聚焦镜聚焦n o 6 舳【1 , 3 2 。 2 2 3 激光的偏振 每个光电子或者光子是由垂直的电磁场组成的。激光的偏振是由电磁场的振 动引起，及它影响激光在切缝中的吸收。偏振光有直线偏振，圆偏振，椭圆偏振 或自动偏振。直线偏振意味着所有的光子与光线平行方向有电场或磁场。在切割 的过程中，线性与椭圆光线在不同的方向上被吸收，它意味着光束在一定方向上 比其它方向上有更好的吸收【3 2 1 。如图2 3 l i n t yp o l a r t z 捌l 撇rb e a m嘲l 糟s 硼嘲0 1 1 粥4 0 0 w ：心 江苏大学硕士学位论文 所以，切割的质量与速度很大一部分由光束的模式决定。 2 2 囡口园：口囝图 园园圈，口囝囹 园园囹e 口囫 & )b ) 图2 4 激光束模式结构 a ) 厄米一高斯模式b ) j 立盖尔一高斯模式 f i g 2 4 m o d es t r u c t u r eo fl a s e rb e a m a ) h e r m i t g u a s sb e a mb ) l a g u e r r e - - g u a s sb e a m 当m = 0 ，n - - 0 时，被称作基模高斯模式，基模高斯光束( t e 燃) 的光斑是一 个密度集中的圆斑，在圆斑内光强分布不是很均匀，而是高斯型的。然而，在实 际应用中，大功率激光器提供的是高次模式光束，使得圆斑比基模的大。在光纤 切割系统中，单模块发射的激光的光束与高斯光束非常接近p 3 1 。 2 2 5 光束的b p p 激光的光束质量用模式来横量，任何旋转的对称激光束都可用以下的三个参 数来形容【3 4 1 。 图2 5 光输传播中的各参数描述 f i g 2 5d e f i n i t