（机械工程专业论文）激光切割工艺技术研究.pdf

中文摘要 论文题目：激光切割工艺技术研究 学科：扭越王捏 作者：韭韶龌 导师：奎言熬援 答辩日期：堡些竺堑 ( 签名) ( 签名) 摘要 激光切割技术是利用高能量密度激光束的加热作用使材料气化、熔化或剧烈 氧化进行切割的方法，它是一种能实施高精度、高速度的自动化切割方法，有着广 泛的发展前途。影响激光切割质量的因素很多，例如激光输出功率、切割气体压力、 切割速度、焦点位置、材料厚度及材质甚至周围环境等等，如何提高激光切割质量 和效率是一个重要的课题。 本文以b y s p r i n t3 0 1 5 型数控激光切割机为研究对象，对影响激光切割质量和 效率的因素进行了系统的理论和实验研究。通过单冈素实验，获得了不同【艺参数 与切割质鼙及切割效率之问的影响规律：符：多冈素止交实验的基础上，获得了影响 切割质量和生产效率的经验方程。研究表明，激光的输出功率、切割速度、气体压 力以及板材厚度等是影响切割质基和效率的主耍因素，从而获得了比较完整系统的 激光切割 艺参数，这对实际生产具有很好的指导意义。 论文的研究结果在生产实践中应用后，取得了良好的使用效果，使以往对切割 参数的盲目凋整有了理论与实践依据从而使切割质量和生产效率人大提高。 关键词：激光发生器临界速度回归方程经验公式 ! ! ! ! ! ! 坚 s u b j e c t ： s p e c i a l t y ： a u t h o rn a m e ： t u t o rn a m e ： r e p l y d a t e ： 工旦量墨i 竖旦yq 丛i 型呈l 墨星基堡型i i ! 笾鱼 i 巨q 旦趟! q 型e m e c h a n i c a le n q i n e e r i n q , z h a n qs h a o - h u i ( s i g n a t u r e ) 丝掣丝! ，i ：? p r o f e s s o rl iy a n ：s i g n a t u r e ) ! 圣( ：丝：星： a b s t r a c t t h el a s e rc u t t i n gt e c h n i q u eist h eh e a t i n gf u n c t i o nt h a tm a k e su s eo f t h eh i g he n e r g yd e n s it yl a s e rb e a mm a k e sm a t e r i a lg a s i f y ，m e l t e do rv i o l e n t o x i d i z et oc a r r yo nc u t t i n go fm e t h o d ；i ti so n ek i n do fa u t o m a t i o nc u r t i n g m e t h o d st h a tc a nc a r r yo u th i g ha c c u r a c ya n dh i g hs p e e d ，i th a st h ee x t e n s i v e d e v e l o p m e n tp r o s p e c t t h e r ea r em a n yf a c t o r st h a ta f f e c tt h ec u t t i n gq u a l i t y a n de f f i c i e n c y ，f o re x a m p l e ，t h el a s e ro u t p u tp o # e r ，t h ea i rp r e s s u r e ，t h e s p e e d ，t h ef o c u sp o s i t i o n ，t h em a t e r i a lt h i c k n e s sa n dc h a r a c t e r i s t i c ，e v e n t h ee n v i r o n m e n te t c h o wt or a i s et h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yi sr ui m p o r t a n t t o p i c 。 t h ist h e s i si sf o c u so nt h e o r i e sa n de x p e r i m e n tr e s e a r c h i n gf o rk e y f a c t o r sw h i c ha f f e c t e dl a s e rc u t t i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c i e s ，a l lt h ed a t a c o m i n gf r o me x p e r i m e n to nb y s p r i n t3 0 1 5l a s e rm a c h i n e b yt h ee x p e r i m e n t o fs i n g l ef a c t o r ，i ta c q u r e dt h ei n f l u e n c er e g u l a t i o nb e t w e e nt h ed i f f e r e n t c r a f tp a r a m e t e rw i t hc u t t i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c y i nt h eb a s eo fm a n y f a c t o r so r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，t h ef o r m u l aw h i c hd e t e r m i n i n gt h ei n f l u e n c e t oc u t t i n gt h es q u a r ed i s t a n c eo ft h ee x p e r i e n c eo ft h eq u a n t i t ya n d p r o d u c t i v i t ya r ea c q o i r e d t h er e s u l ts h o w e d ，t h a tt h eo u t p u tp o w e ro ft h e l a s e r ，c u t t i n gs p e e d ，t h ea i rp r e s s u r ea n dt h em a t e r i a lt h i c k n e s se t c a r e t h em a i nf a c t o r st h a ti n f l u e n c et h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c i e s ，a n dt h e c o m p l e t e ，s y s t e m a t i cc r a f tp a r a m e t e ro fl a s e rc u t t i n ga r ea c q u i r e db yt h i s a b s tr a c t r e s e a r c h ，i t st h es i g n i f i c a n tm e a n i n gf o ra c t u a lm a n u f a c t u r ei np r a c t i c e i to b t a i n e dt h eg o o do n s i t er e s u l ta f t e rt h et h e s i sr e s e a r c hr e s u l t a p p l i e di np r a c t i c e ，m a d et h eo p e r a t o r sa v o i df o r m e rb l i n d n e s ss e t t i n go f t h ep a r a m e t e ri nc u t t i n gb yp r a c t i c i n gc o r r e c ta n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 张州l t rt h er e s e a r c hd r a m a t i c a l l yr a i s e st h ec u t t i n gq u a l i t ya n d p r o d u c t i v i t y k e y w o r d s ：l a s e r c r i t i c a ls p e e dr e t u r ne q u a t i o n e m p i r i c a lf o r m u l a 独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一一同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并已致谢。 本论文及相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任。 论文作者签名：! 童骂 步年加月屯日 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权韵规定，即：研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上串明同样逶嚣矿 论文作者签名：丝筚导师签襞籀年，i ，月j _ z 日 1 绪论 1 绪论 1 1 激光的产生及其特性 1 1 1 产生背景 激光是“l i g h ta m p l i f i c a t i o nb y s t i m u l a t e de m i s s ：i o no f r a d i a t i o n ”的缩写。世界上第一台激光器是美国科学家梅蔓 ( t h m a i m a n ) 于1 9 6 0 年研究成功的。此后，1 9 6 2 年出现了半导体激 光器；1 9 6 4 年由帕特尔( c p a t e l ) 发明了第一台c o 。激光器；1 9 6 5 年发 明了第一台y a g 激光器；1 9 6 8 年开始发展高功率c o z 激光器；直至1 9 7 1 年出现了第一台商用i k w c o ：激光器“1 。 1 1 2 激光产生的原理 激光是通过原予受激辐射发光和共振放大形成的。原子具有一些不 连续分布的能级，电子在最靠近原予核的轨道上转动时是稳定的，这时 原子所处的能级为基态。当有外界能量传入，则电子运行轨道半径扩 大，原子内能增加，被激发到能量更高能级，这时称之为激发态或高能 态。被激发到高能级的原子是不稳定的，总是力图回到低能级去。原子 从高能级到低能级的过程称之为跃迁。当原子跃迁时，其能量差则以光 的形式辐射出来，这就是原子发光，是自发辐射的光，又称荧光。如果 在原子跃迁时是受到外来光子的诱发，原子就会发射一个与入射光子的 频率、相位、传播方向、偏振方向完全相同的光子，这就是受激辐射的 光。 原予被激发到高能级后，会很快跃迁回低能级，它停在高能级的时 间称为原子在该能级的平均寿命。氦、氖、氪原子，钕离子和二氧化碳 分子等在外来能量的激发下，使处于高能级的原子数大于低能级的原子 西安理工大学工程硕士学位论文 数，这种状态称为粒子数反转。这时，在外来光子的刺激下，产生受激 辐射发光，这些光子通过谐振腔的作用产生放大，受激辐射越来越强， 光速密度不断增大，形成了激光“1 。 1 1 3 激光的特性 激光与其它光相比，具有以下的特点”：高亮度、高方向性、高单 色性和高相干一陛。 ( 1 ) 高亮度 激光器的发光截面和立体分散角都很小，丽输出功率却很大，其亮 度远远高于太阳的亮度，经透射镜聚焦后，能在焦点附近产生几千度甚 至上万度的高温，因而能加工几乎所有的材料。 ( 2 ) 高方向性 激光的高方向性主要是由受激发射机理和光学谐振腔对振荡光束方 向的限制作用所决定的。激光的高方向性使得激光能有效地传递较长距 离，能聚焦到极高的功率密度，这两点是激光加工的重要条件。 ( 3 ) 高单色性 激光器发出的全部光辐射只集中在很小的频率范围内，其单色性极 高，几乎完全消除了聚焦透镜的色散效应，使得光束能精确地聚焦到焦 点上，得到很高的功率密度，相应的功率密度可达0 1 0 1 0 帅c m 2 ，比 一般的切割热源高几个数量级1 。 ( 4 ) 高相干性 团相干性好，在较长日寸间内有恒定的相位差，可以形成稳定的干涉 条纹。 从以上特性可以看出，激光是一种理想的切割热源“1 。 1 绪论 1 2 激光加工技术及其国内外发展概况 1 2 1 激光加工技术 激光加工是激光应用的首要领域。激光加工业兴起于7 0 年代，在西 方销售额增长很快，1 9 7 0 年为6 0 0 万美元，1 9 8 0 年为7 0 0 0 万美元， 1 9 8 5 年为2 8 亿美元，当时年增长率为2 0 2 5 ，已形成一个新兴的 产业。 激光加工是指用高功率激光束对工业用零部件进行切割、热处理、 焊接、打孔等等，与传统加工方法相比，激光加工的特点是：激光束能 量高度集中，加工区域小，因而热变形小，加工质量高、精度高，加工 件不受尺寸、形状限制，不需冷却介质，而且无污染，噪声小，劳动强 度低，效率高。激光加工技术的产业化正在我国兴起。 1 2 2 激光加工技术的应用及发展 4 0 多年来，激光加工技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形 成多个应用技术领域，主要加工技术包括：激光切割、激光焊接、激光 打标、激光打孔、激光热处理、激光快速成型、激光涂敷等。 激光加工技术是激光技术在工业中的主要应用，其加速了对传统加 工工业的改造，提供了现代工业加工技术的新手段，对工业发展影响很 大。特别是激光切割已成为当前工业加工领域应用最多的激光加工方 法，可占整个激光加工业的7 0 以上。 数控激光切割机是近十年来发展最快的钣金加工设备。世界上许多 知名企业都把激光切割作为主要加工手段，更进一步促进了激光切割机 的发展。2 0 0 3 年4 月在北京举办的第八届中国国际机床博览会表明，国 外先进设备制造商在数控激光切割机上都下了很大功夫，日本的a m a d a 、 m u r a t a 、n t c 德国的t r u m p f 、瑞士的b y s t r o n i c 、意大利的p r i m a 等都 在展会上展出了各自的数控激光切割机，这些设备都不同程度的体现了 西安理工大学工程硕士学位论文 各自厂商的特点和优越的机床性能，并且具有以下共同特点：一是都采 用了先进的飞行光路技术并带有交换式双工作台，二是都配置了c o 。大功 率激光器，使板材切割厚度增加，切割速度大大提高。 1 3 激光切割当前存在的问题 激光切割机自动化程度高，切割质量好，切割效率高，但由于它集 机、电、液、气以及计算机等多方面知识于一身，所以普遍存在机床寿 命短、切割质量波动大、切割参数难控制、对操作者要求过高等缺点。 国内外研究资料表明，影响激光切割机切割质量和切割效率的因素 很多，包括激光输出功率、切割气体压力、切割速度、焦点位置、切入 点位置、材料厚度及材质甚至周围环境等等，如何选择相关工艺参数， 合理使用激光切割机，提高切割质量切割及效率，是目前众多生产厂家 及用户急待解决的实际问题。在这方面，多数厂家通过长期使用积累了 一定的经验值，并用其指导生产，但由于机床型号各异，参数选择各不 相同，且各因素之间关系复杂，使得经验值难免带有一定的局限性，因 此在实际加工中，经常出现切割质量不稳定而无法达到技术要求，抑制 了激光切割机的发展。广大用户迫切希望获得各主要加工参数选择的理 论依据。 1 4 课题的提出及研究意义 陕建机股份公司以其专业化优势，致力于筑路机械、建筑机械、桥 梁机械和各类金属结构的研究、开发、生产、销售和维修服务。随着公 司规模的不断扩大，新产品种类迅速增加，市场前景非常广阔，但面对 激烈的市场竞争，用户对产品外观质量要求不断提高，尤其是切割零件 的外观质量已经成为影响公司产品质量及销售的一大难题。 为适应新形式的发展，公司率先从瑞士百超公司引进了西北地区第 一台b y s p r i n t 3 0 1 5 型数控激光切割机，由于设备先进，自动化程度高， 切割质量明显高于其它现有数控切割机，生产任务逐渐向该机床倾斜， 各产品关键部件和复杂形状的切割都由其完成，为公司现代化生产带来 了极大的推动作用。但由于缺乏理论依据，操作人员对激光切割机的使 用特别是工艺参数的选取存在一定盲目性，仅凭经验加工，一方面浪费 了大量的时间，导致生产效率降低，另方面，由于参数选取不合适造 成材料的浪费也使经济效益下降，并且切割质量不稳定，对机床本身也 造成损害。 虽然国内外相关文献对激光切割质量的影响因素有所研究，但比较 系统的总结和归纳至今还未发现，因此有必要以b y s p r f n 9 3 01 5 激光切割 机为研究对象，对影响激光切割质量和生产效率的主要因素及其影响规 律进行实验研究，并运用相关结论指导生产。 1 5 研究内容 ( 1 ) 通过实验对影响激光切割机切割质量的主要因素进行分析，并 总结这些因素的影响规律； ( 2 ) 通过对影响激光切割机生产效率的主要因素进行理论分析，找 出影响规律； ( 3 ) 对获得的实验数据进行分析，采用回归分析的方法，建立相应 的数学模型，获得各因素对切割精度和生产率等生产指标的经验公式； ( 4 ) 根据上述分析结果，获得比较完整的工艺参数，在实际生产中 进行实践验证，以指导生产实践。 2 激光切割特性分析 2 激光切割特性分析 在实际生产中，切割加工是必不可少的工序，而且由于不同材料及 不同零件要求，产生了不同的切割方法。本章重点对激光切割的基本特 性进行分析。 2 1 相关切割技术 切割的分类方法很多，按所使用的能源可分为如图2 - l 所示的形式。 其中有些切割方法兼用两种能源，如用氧作辅助气体激光切割金属时， 既利用光能，也利用氧化反应热”1 。 2 1 1 常用切割方法的分类 切割方法 光能广一激光切割 一用氧气等辅助气体的激光切割 化 电 动 反应- i ；：二“ 皂 言筹黧“ 机械 其它电解加工 凰2 一l 常用切割方法分类 电弧一氧切割 等离子弧切割 钨极电弧切割 熔化极电弧切割 碳极电弧切割 电弧锯切割 阳极切割 剪切 锯切 铣切 西安理工天学工程硕士学位论文 利用化学反应能、电能和光能的切割法在切割时都伴有热过程， 般统称为热切割法。现代工业上应用的热切割法主要是氧气切割、等离 子弧切割和激光切割。 2 1 2 三种主要热切割方法的特性比较 表2 - 1 给出氧气切割、等离子弧切割和激光切割低碳钢材料，板厚 1 2 m m ，直径( 9 1 0 0 m m 孔时材料的受热量实验测定资料“1 。 表2 - 1 三种热切割法的材料受热量比较 温度上升测定的吸热置单位吸热量 切割方法切割条件 平均渣( o c )( k j )( j 2 ) l # 割嘴，气体流量 氧气切割3 4 l m l n ，切割速度 1 8 3 08 5 3 2 2 5 3 4 2 0 m m m i n 等离子弧切切割电流1 5 0 a ，切割速 7 5 02 8 27 3 3 割度2 1 5 0 m m m i n 连续激光，功率3 0 0 0 k v ， 激光切割 5 6 81 5 34 0 9 切割速度9 0 0 m m m i n 由表2 1 可见，氧气切割时材料的受热量最多，而激光切割时最少。 通常，材料所吸收的热越多，热影响区的宽度就越大，这就预示着切割 导致材料的变形也越大。 表2 - 2 给出切割碳素钢时热影响区宽度的实验数据及对比资料。 由表2 - 2 可见，氧气切割的热影响区宽度约为激光切割的1 0 1 2 倍。 另外，随着扳厚的增大，热影响区也扩大。在现代工业的加工生产中， 为了获得小的零件变形，就要设法减小热影响区的宽度。分析比较可以 发现，激光切割法目前主要适用于中、薄板的高精度、高速度切割的场 合。 2 激光切割特性分析 表2 - 2 三种热切割法的热影响区宽度 热影响区宽度( i 【l m ) 切割方法 板厚l o m m板厚6 板厚3 m 氧气切割 0 80 60 5 等离子弧切割0 50 40 3 激光切割 0 0 7 50 0 60 0 5 2 2 激光切割的原理、类型及特点 激光切割是利用经过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，同时借助于光束同轴的高 速气流吹除熔融物质，从而实现割开工件的一种热切割方法。 根据工件的热物理特性和辅助气体的性状，激光切割主要有以下几 种类型： 激光熔化切割利用激光加热工件使之熔化，同时借非氧化性辅 助气体排除熔融物质，形成割缝。 激光气化切割当高功率密度的激光照射到工件表面时，材料在 极短的时间内被加热到气化点，并以气体或者为气体冲击以液态、 固态微粒形态逸出，形成割缝。 激光燃烧切割利用激光热能将工件加热到燃点，利用辅助气体 使材料燃烧，并排除燃烧产物，形成割缝，类似氧气切割过程。 激光烧蚀利用激光斑点的高温和光化学作用在脆性材料上烧刻 小槽，然后施加一定的外力使材料沿槽口断开。 一般激光切割具有如下特点： - 激光切割的切缝窄，工件变形小 激光切割是一种高能量密度、可控性好的无接触加工 激光切割具有广泛的适应性和灵活性 西安理工大学工程硕士学位论文 2 3c 0 2 激光切割机基本装置 c 0 2 激光切割设备的基本装置如图2 2 所示 1 0 l 一冷却水装置2 - - 激光气体瓶3 - - 辅助气体瓶4 - - 空气干燥器5 一数控装置 6 - - 操作盘7 伺服电机8 一切割工作台9 割炬l o 一聚焦透镜1 l 一丝杠 1 2 一反射镜1 3 一激光束1 4 一反射镜i 5 一激光振荡器1 6 一激光电源 1 7 一伺服电机和割炬驱动装置 图2 2c 0 2 激光切割装置基本构成国 产生激光的主要装置为激光发生器，其作用是把电能转交为光能， 9 2 激光切割特性分析 产生所需要的激光束“。谐振腔的主要作用是使沿工作物质光轴方向传 播的光波来回往返通过工作物质，有选择的加强某些波长的辐射强度， 最后达到激光振荡“1 。 将二氧化碳- 氮氦等气体封入己抽真空的玻璃管中，管的两端各装一 块反射镜，形成谐振腔，端部封入电极，通入干伏以上高电压，封闭在 容器内的c 0 2 、n 2 和h e 混合气体经受激振荡后产生光放大，气体通过 旌加高压电形成辉光放电状态，借助谐振腔两端的反射镜使其在反射镜 之间的区域内不断受激励“1 。 与c 2 h 厂广一瑁 l u m 激光_ i z 乙盈 弛以 h e 寺0 1 0 l 、撞击松弛_ j c 如分子的基态( 0 0 0 )分子的基态 稳定 图2 3c o t 澈光的形成原理 辉光放电后产生的自由电子激励n 2 分子，使n 2 分子与处于基态( 即 0 0 0 态) 的c 0 2 分子相撞击，把一部分c 0 2 分子激发到能量较高状态。 而处于高能态的c 0 2 是不稳定的，会向低能态跃迁，同时放出波长1 0 6 1 ti n 和9 6 um 的光，利用反射镜把从0 0 1 能态向1 0 0 能态跃迁时发出的 光取出，就获得了波长1 0 6 u m 的激光。工作介质中h e 的作用是使放电 状态稳定，并与低能态c 0 2 分子撞击以减少低能态分子的量。 西安理工大学工程硕士学位论文 2 4c 0 2 激光切割钢材的机理 2 4 1 激光照射面能量分布 一束直线传播的平行激光束，经聚焦物镜聚焦在焦点平面上的光 “点”实际上是一个直径为d 的光斑，如图2 4 所示。 一d 焦点平面 图2 4 激光柬聚焦原理，下意图 光斑直径为：d = 僧 ( 2 1 ) 式中，为聚焦物镜的焦距，曰为激光束的发散角。 在此小光斑内，其光强不是平均分布的，而是如图2 5 所示的近似 高斯分布。在中心点的发光强度厶最大，而远离中心点的地方逐渐减弱。 根据光的粒子学说不难理解，发光强度高的地方集中的光子数最多，反 之即少，因丽能量密度的分布情况与发光强度的分布类似。 图2 - 5 焦点平面发光强度分布 光斑中心点( 即焦点中心) 的发光强度可用下式表示： 驴三筹尸 治z ， 2 激光切割特一 生分析 式中d 一平行光束的直径( m m ) 五一激光波长( um ) 厂一聚焦物镜焦距( m m ) p 一平行光束的功率( w ) 从式( 2 - 2 ) 可知，增大激光束的功率或减小焦距和波长都能提高焦 点的发光强度。波长和焦距增大，光斑面积也增大，发光强度分布曲线 也宽，最大光强减小。 激光的照射能量e 为激光平行光束的功率p 与照射时间f 的乘积，即 e = p f( 2 - 3 ) 若激光的输出功率大，照射时间长，则工件所获得的照射能量也大。 当激光能量一定时，时间太长就会使热量传散到非加工区，导致变形增 大；时间太短则因功率密度过高而使蚀除物以高温气体喷出，以致能量 的使用效率降低。 2 4 2 切口前缘的温度分布 研究表明，用氧气作辅助气体对碳素钢进行激光切割时，切口前沿 的温度咒和激光束至切口前沿的距离r f 同切割速度有密切关系“”。在切 割速度较低时，激光切割过程同氧一火焰切割一样，以氧化反应热为主。 而在较高的切割速度时，则利用的自调节作用和激光束的一部分加热作 用使切口前沿达到要求温度并维持切割过程。 2 4 3 切口中激光能量的消耗 m i y a m o t o 等利用量热计测出激光束通过不同厚度钢板时的功率值 后，按式( 2 4 ) 计算去除切口中单位体积切割材料所投入的激光束能量g ， ( g 廖= ( p ，一p 。) v f b ( 2 - 4 ) 式中p ，一通过厚度x 后的激光功率； p 。通过厚度x + t 后的激光功率； v 一切割速度； 卜一切口宽度； 西安理工大学工程硕士学位论文 b 一厚度。 在某一厚度范围内消耗的能量g ，为一定直，约2 0 k j c m 3 。但至板厚 下部，投入的激光能量大大下降，于是出现弯曲的后拖线和粘渣现象。 另一方面，在板厚一定时，随着切割速度的增大，激光束投入板厚下部 的能量也减少，也会产生后拖线。同时因辅助氧气的射流出现紊乱现象， 于是形成不整齐的切口。发生这种不整齐切口的切割速度就决定了良质 激光切割的速度上限。 另外，在用氧气作辅助气体切割碳素钢时，铁氧燃烧反应热e 。也起 重要作用。而投入切割区的总能量( e f + e 。) 可用移动线热源的简化模式 进行计算 蜀+ e 月= 8 0 r 巧( v t 4 + 0 2 ) + a v t q k 式中r 一材料的热导率； 瓦一切口前沿的温度； f 一切口宽度； 口一热扩散率： q 一熔化潜热。 ( 2 - 5 ) 在测定并计算出e 后，e 。就可通过式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 求得。 2 5 切口及切割面上割纹的形成机理 用氧气作为辅助气体激光切割碳素钢时，借助高速摄影技术观察切 割过程表明n “，当切口前沿的上表面受激光照射达到铁氧反应温度时， 氧化反应即从其中的一点开始，并迅速向周围扩展，形成一个类似球瓣 状的反应区( 图2 - 6 左图中标有碎点部分) ，在球瓣的下端处存在一颈缩 部。此颈缩部向下，氧化反应以速度砌继续往下进行。随着熔渣被辅助 气体排除和激光束向前行进，就扩展成图2 - 6 右图所示的形状。上述过 程不断重复，就形成切口并将工件割开。 2 激光切割特性分析 圈2 - 5 擞光切副磺秉铡时切l _ = 】形成机理不葸图 图2 7 示出沿切割方向的氧化反应进展速度、向切口两侧的氧化 反应进展速度v w 和沿板厚向下的氧化反应进展速度翰随切割速度改变 而变化的情况”。 由图2 7 b 可见，切割速度低于2 m r a i n 时，向前的反应进展速度阡为 一定值，且大于切割速度v 。而且v w 和砌更大大高于切割速度。这是由 于在低速切割时，切割过程以铁氧反应热为主。在这种场合，由于切割 速度跟不上氧化反应速度，过剩的反应热就使切口发生过度熔化，从而 形成较宽的、不整齐的切口。这一出现切口质量恶化的最低切割速度即 为良质激光切割的速度下限“。 随着切割速度的加快，光束的照射点向切口前沿靠近，使前沿处的 温度升高，氧化反应速度随之加快。当切割速度大于2 m r a i n ，切口前沿 的向前反应速度与切割速度相同。但切割速度继续增加时，在板厚一定 的条件下，因向下的反应速度跟不上切割速度，而投入板厚下部的激光 能量也不足，如前所述，切口中就出现后拖线、切割面变粗等现象，从 而限定了良质激光切割的上限速度。同时这一良质切割速度的上限还取 决于氧气的压力“。 1 4 西安理工大学工程硕士学位论文 薯 童1 5 0 0 罢 t 专1 0 0 0 皇 5 0 0 o 3 0 0 0 2 0 0 3 1 0 0 , 5 01 0 0 1 5 0 切割速度y ( c m m i n ) 1 0 0 2 0 0 切割速度v ( c m m i n ) 图2 7 激光切割低碳钢时反应进展速度与切割速度关系 切割面上的割纹形成过程如图2 - 8 所示。设切口前沿的氧化反应开 始于工件上表面的s 点，s 点离激光束轴线的距离为，此时激光束的能 量密度为e s 。反应完成点为，相应的能量密度为e ，t 2 7 1 。 2 激光切割特性分析 激光束 ( 氧化反应起始点s 至激光束轴线的距离：r f 氧化反应完成点f 至激光束轴线的距离# b 、e f 一对应于s 点和f 点的激光束自 重密度) 图2 - 8 切割反应区前缘模型图 在切割速度低于1 5 2 m m i n 时，如图2 - 9 所示，随着切割的向前进 行，相应于疋的光束圆，即圆0 。与反应区前缘c a d 相切，因受到激光 柬的加热，前缘处就开始氧化反应。 在切割速度较低的场合，反应速度阡大于切割速度v ，因此在燃烧 热的作用下氧化反应向周围扩展，并形成相当于激光束能量密度e ，的光 束圆0 。于是就使切口前沿的半月形区域c a d b 熔化，而熔化产物为辅 助气体所排除。由于切割速度赶不上反应速度，氧化反应便暂时中止。 待激光束前移到新的位置( 即图中的蕊圆) ，b 点处就重新开始氧化反 应，并重复发生上述过程。而切割进程就是在这种周期性过程中持续进 行的。每一次氧化反应暂停时，在切割面上就留下一条痕迹，即割纹。 在正常的情况下，割纹间距z 。是相同的。由于这种割纹的出现，切 割面变粗。 西安n z - 大学工程硕士学位论文 盘f i 腹心宠成 螺 f oo j 5 ( 2 ，2 ) 说明在9 5 的水平上各因素对切缝宽度影响显著。 ( 5 - 5 ) ! 塑型堕兰童塑型垫圭竺簦全墨! 竺堑垄 5 3 2 切割表面粗糙度实验结果的回归分析 同理根据5 2 的分析，可以假设表面粗糙度的经验公式为 r a = n p r l v 2 x l 7 3 ( 5 - 6 ) 对式( 5 - 6 ) 两边取对数，得到： l g r a = l g n + r d g p + r z l g v + r 3 i g q ( 5 - 7 ) 同理可求得回归系数为： ，o = 1 1 1 5 g l = 0 0 2 3 r 2 = 一0 0 7 0 r 3 = - 0 0 1 7 整理可得： l g r a = l g n + 九l g p + p 2 l gv + r 3 l g q = 2 ，0 4 一o 2 1 1 9 p o ，4 1 9 v o 1 3 3 1 9 q 故表面粗糙度的回归方程为： r a = 1 0 9 6 5 p - 0 2 1 v 。0 4 q 4 1 ” ( 5 8 ) 误差分析： ( 1 ) 总偏差平方和 s = ( 1 9 耐一万1 ( y l g r 口) 2 = o - 0 4 2 ( 2 ) 回归平方和 u ：r l y x 1 y + r 2 f x 2 y + n x ) y = o 0 3 4 j一一 ( 3 ) 剩余平方和 q s u0 0 0 8 ( 4 ) 各因素对实验结果的影响程度 f ： 竺坐：! ：唑! !：旦旦：1 3 0 8 1 q ( n m 1 ) 0 0 0 8 ( 9 2 1 ) 0 0 0 1 3 一望室坚三查兰兰! 墅! 主兰竺垒查一一 _ _ _ - - - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 一 ( 5 ) 对因素进行显著性检验 查袭可知临界值f oi o ( 2 ，2 ) = 9 由于f = 1 3 0 8 f o o ( 2 ，2 ) 说明在9 0 的水平上各因素对表面粗糙度影响显著。 5 3 3 切割速度实验结果的回归分析 同理可假设经验公式： v = k p 5 1 q 。2 b o ( 5 9 ) 对式( 5 - 9 ) 两边取对数，可得： l g v = l g k + s l l g p + s 2 1 9 q 十s 3 1 9 b 舍y = l g vs o = l g k x z = l g px 2 = l g q x 3 = l g b 则有y ：j o 十s l x l + s 2 x 2 十s 3 x 3 ( 5 1 0 ) 同理对因素进行编码，将编码方案及实验结果列于表5 - 1 0 中。 同理求得回归系数为： 一；凰y = 吉- g v = 0 , 5 3 9 j l = y xj y = 0 0 9 1 6 5 2 ：三y x2 y = - - 0 0 0 6 “ 印；一1y 3 r = 一o 0 9 6 6 一 整理可得： l g v = l g k + s i l g p + s = l g q + s 3 1 9 b = 0 5 3 9 + o 0 9 1 1 9 p o 0 0 6 l g q 一0 0 9 6 l g b 故切割速度的回归方程为 v ：3 4 6 p 0 0 9 1 q “嘶b “。9 6 ( 5 1 1 ) 5 切割质量和切割效率的综合实验研究 表5 - 1 0 切割速度实验方案及实验结果 码 实兮 x 。x l l g v lllll3 50 5 4 4 21一l0o2 80 4 4 7 3l一1ll2 00 3 0 1 4l 0 1 03 80 6 0 0 5l0 0l3 l 0 4 9 1 6l0ll4 30 6 3 3 7l1 一l13 1 0 4 9 1 8110- 14 80 6 8 l 9lll04 60 6 6 3 误差分析 ( 1 ) 总偏差平方和 s = a g v ) 2 一万1 ( z l g v ) 2 = 2 7 3 3 - 2 6 1 5 = o 1 1 8 ( 2 ) 回归平方和 u = j - x ，1 ，恤x t y + s s j 3 x = 0 1 0 5 ( 3 ) 剩余平方和 q = s - u = 0 ：t 1 8 - 0 1 0 5 = 0 , 0 1 3 ( 4 ) 各因素对实验结果的影响程度 f ： 型! 丝 ： ! ：! ! ! ! ! ：2 4 2 3 q ( n 一肘- 1 ) 0 0 1 3 ( 9 2 1 ) ( 5 ) 对因素进行显著性检验 查表可知临界值f o0 5 ( 2 ，2 ) = 1 9 由于f = 2 4 2 3 f o0 5 ( 2 ，2 ) 西安理工大学工程硕士学位论文 说明在9 5 的水平上各因素对切割速度影响显著。 通过上述的统计分析，我们得到了各因素对切缝宽度、表面租糙度 以及切割速度影响的回归方程，但在实际加工中这些方程是否具有真实 可靠，是否可以用以指导生产，仍需通过实践加以证明。 5 4 各回归方程在实际加工中的效果验证 我们仍以零件l t u 9 0 0 1 0 3 一i o a 为例进行切割，材料为q 2 3 5 ，板厚 3 m m ，钢板面积为1 0 0 0 m m * 5 0 0 m m ，根据激光切割枫自动排料，最多可切割 数量9 8 件。根据设备的预置参数参考值，其功率选取范围应在i 5 0 0 2 0 0 0 w 之间，压力范围3 3 5 b a r 之间，切割速度取值2 8 3 m m i n ，切 割气体选用氧气。 根据实际分析，我们分别选择p = 1 7 0 0 w ，g = 3 5 b a r ，v = 2 8 m m i n 对9 8 件零件进行切割，切割排版如图5 3 所示。 图5 - 3 切割排料图 5 切割质量和切割效率的综合实验研究 根据实际钡量，本次9 8 件切割零件的平均切缝宽度为0 3 7 8 m m ，平 均表面粗糙度为1 1 8 3 u m 我们将测量值列于表5 - 11 中。 表5 - 1 1 实验零件切缝宽度禊j 量值 零件数量切缝宽度t ( m )零件数量表面租糙度( l i r a ) 2 30 3 6 51 0 2 50 3 72 41 l 2 30 3 8 5 2 1 2 1 20 3 91 71 3 70 4 0 80 4 1 平均切缝宽度( m m )0 3 7 8平均粗糙度( l l m ) 1 1 8 3 由于机床自动计算的切割时间为2 0 2 m i n ，切割路径周长为4 9 9 m ， 因此实际切割速度v = 4 9 9 2 0 2 = 2 4 7 ( m m i n ) 。 下面对各回归方程分别进行验证。 ( 1 ) 切割质量的验证 我们将选定的参数p = 1 7 0 0 w ，q = 3 5 b a r ，v = 2 8 m m i n 分别带入切 缝宽度回归方程( 5 - 6 ) 和表面粗糙度回归方程( 5 - 9 ) ，经计算可得： t = 0 2 7 4 v “4 1 5 0 1 “= 0 , 0 0 0 7 8 4 q 3 7 m m r a = 1 0 9 6 5 p - 02 1 v “4 q o1 ”= 1 2 s u m 与实际切割结果平均值进行比较，误差分别为： f o 3 7 8 一o 3 7 ) 0 3 7 8 1 0 0 = 2 1 5 仃2 8 1 1 8 3 ) 1i 8 3 1 0 0 = 8 2 1 0 其零件切割表面质量见图5 4 。 由于显著性检验结果证明：各因素 对切缝宽度和表面粗糙度的影响分别在 9 5 和9 0 水平上显著，所以实验结果 符合所得结论。 图5 - 4 切割表面实拍图 西安理工大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 切割效率验证 同理将选定的参数p = 1 7 0 0 w 、q = 3 5 b a r 、b = 3 m l n 分别带入切割速 度的回归方程( 5 - 1 2 ) ，计算得： v = 3 4 6 p o o g l q “0 0 6 b | 0 “；2 ，3 5 m m i n 与实际机床测量时间相比，其误差值为： r 2 4 7 2 3 5 ) 2 4 7 1 0 0 = 4 9 5 因为显著性检验结果证明，各因素对切割速度的影响在9 5 水平上 显著，所以实验结果符合结论。 5 5 小结 本章采用多因素正交实验法对切割质量和切割效率进行了综合实验 研究，直观分析结果表明：各因素对切割质量的影响程度排序依次为切 割速度v 、输出功率p 、气体压力玎；对切割速度的影响程度排序为钢板 厚度b 、输出功率p 、气体压力q 。同时本章还对实验结果进行统计分析， 获得了切缝宽度、表面粗糙度以及切割速度的回归方程，检验结果表明， 实验结果高度显著，可以在实际生产中应用。 5 8 6 结论 6 结论 6 - 1 主要结论 论文对激光切割技术进行了较为全面的分析，针对激光切割的特点 及企业实际切割的需要，就切割工艺参数对切割质量和切割效率的影响 规律进行了系统研究，所得结果对实际生产有重要的指导意义。 1 单一因素实验结果表明： ( 1 ) 当切割速度、气体压力和板厚一定时，激光的输出功率对切割质量 和切割效率影响显著。具体而言，材料的表面光洁度和切割效率随 输出功率的增大明显提高，而切缝宽度随之变大。因此需根据实际 情况选择合适的输出功率，以达到理想的切割效果。 ( 2 ) 当输出功率、气体压力和板厚一定时，激光切割速度对切割质量的 影响呈曲线趋势变化。一般随着切割速度的增大，切割质量会有所 提高，但存在一个良质切割速度上限，可使切割质量达到最佳状态， 超过这个临界值切割质量会逐渐下降。在激光功率一定的条件下， 存在一个合适的切割速度范围，同时对每一种板厚还有一个最佳切 割速度值，可获得切割面光洁、切缝较窄的切口。 ( 3 ) 当输出功率、切割速度和板厚一定时，单一的气体压力变化对切割 质量影响不明显，但对切割效率影响显著。当气体压力达到某一取 值范围内时，切割速度最大，生产效率最高。所以调整气体压力至 合适值可使切割效率最高。 ( 4 ) 当输出功率和气体压力一定时，板厚对切割质量和切割效率影响显 著，随着切割厚度的增加，切割质量和切割效率会明显下降。所以 切割薄板比切割厚板效果要好。 2 在多因素回归实验的条件下，分别就工艺参数对切割质量和生产效率 西安理工大学工程硕士学位论文 的影响规律进行了系统研究，