三维激光切割转角与间隙板关键工艺研究

发布时间：2020-09-02 19:11

　　三维激光切割技术以其高柔性和灵活性在薄板加工领域逐步取代了传统加工手段,其不仅提高了生产效率,而且满足高质量的切割要求,但是在特殊工况下的三维激光切割工艺优化与技术开发亟待进一步深入研究。本文围绕转角切割和间隙板两个三维激光切割工况开展工艺优化和实验研究,主要研究内容如下:(1)开展了45钢三维激光切割过程理论分析。基于激光与金属材料的相互作用机理,分析了激光与材料表面作用的熔化、气化、形成小孔和等离子体的变化过程,探讨了激光气化切割、激光熔化切割、反应熔化切割、激光划片与控制断裂以及冷切割五类切割模型。研究了氧助激光切割45钢的切割过程:第一阶段,高能量密度的激光束照射到45钢表面,其表面温度升高达到钢板的燃点;第二阶段,O_2与钢板发生氧化放热反应,钢板吸收其放出的大量热能并熔化;第三阶段,随着激光束与钢板表面的相对移动,切割开钢板。进一步分析了激光功率、切割速度、焦点位置、光束入射角、辅助气体等因素对三维激光切割质量的影响,提出了根据激光切割后工件的尺寸精度、工件的表面质量以及工件的宏观形貌来评定切割质量的综合评判思想。(2)开展了激光切割转角的工艺优化与切割质量分析。分析了三维激光切割转角处因激光束在此密集、能量集聚、散热面积小产生过烧的现象,提出通过在转角切割处分区、减少转角处的工艺点以及优化工艺参数的“三步走”方法来避免转角过烧问题的工艺思想。在此基础上进行了工艺优化研究,采取N_2和O_2辅助气体,选取激光功率、切割速度、辅助气体压力等三因素进行正交实验,对比分析了切割质量。研究表明:在激光功率600W,切割速度25mm/s,辅助气体O_2压力0.21Mpa,工艺优化后的切割断面平整,挂渣少,没有过烧现象的产生;切缝宽度的大小受激光功率和切割速度的影响较大,切割断面的粗糙度受激光功率、切割速度和辅助气体类型等因素共同影响;切缝宽度的大小随辅助气体O_2压力的增大呈现不断增大的趋势,切缝宽度的大小随N_2压力的增大变化不明显,O_2辅助气体对切缝附近热影响区的影响较N_2辅助气体大;在脉冲激光功率p=600w,占空比=60%,频率f=300HZ,切割速度v=20mm/s,焦点位置h=+1.5mm,O_2压力=0.18MPa条件下,切割断面的条纹较多,表面粗糙度为21.872μm,在连续激光功率p=800w,切割速度v=30mm/s,焦点位置h=+1.5mm,O_2压力=0.24MPa条件下,切割断面条纹较少、表面平整,挂渣较少,表面粗糙度为19.657μm,选择不同的激光模式均可避免转角过烧现象,脉冲激光切割转角处选择较小的激光功率、较慢的切割速度以及占空比60%时获得的切割质量较优。(3)分析了间隙板三维激光切割的模型,并进行了工艺优化和实验研究。以3mm厚的45钢为研究对象,基于工艺参数(激光功率、切割速度和焦点位置)和板间间隙大小对激光切割变间隙夹层板切割质量的影响,进行了工艺优化和实验研究。研究表明:基于良好切割质量的上下层板间隙大小为2mm,当板间间隙大于2mm时,对下层板的切割断面粗糙度、热影响区宽度均有显著影响,对上层板的切割质量影响不大;上下层板均可被切透的板间间隙极限距离为6mm,当板间间隙大于6mm时,无法切透下层板。
【学位单位】：温州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG485
【部分图文】：

激光设备,市场销售

随着中国装备制造业的迅猛发展，受益于宏观经济发展、制造业扶持等因素，我国的激光产业也进入了高速发展期。图 1-2 为 20光设备市场销售收入图，从图中可以看出，2016 年迎来增长拐点激光设备市场销售收入达到 385 亿元，而 2017 年全年预计将 2016 年全年同比增加 18.18%[4]。

技术路线图,激光产业

激光技术的应用已经渗透到各行各业，形成了庞大的产业链，如图1-1 所示，激光产业链的上游主要包括光学材料、光学元器件，中游主要是各种激光器机器辅助配套设备，下游主要是激光技术应用场景领域的分布。从图 1-1中可以看出，激光技术被广泛应用于汽车、钢铁、造船、电子、通信、轨道交通、航空航天等军民两用领域，其是国家战略新兴产业，是现代高端制造的基础性技术之一。从国家发布的政策来看，《国家中长期科学和技术发展规划纲要2006-2020 年》中明确将激光技术做为发展前沿技术；《“中国制造 2025”重点领域技术路线图》中提出激光技术在我国制造业、高端装备领域对我国制造业升级以及由制造大国向制造强国迈进具有重大意义；《机器人产业发展规划（2016 年-2020 年）》将机器人作为重点发展领域的总体部署，而工业机器人技术与激光技术的融合，促进激光加工工业机器人产业的形成与发展；《增强制造业核心竞争力三年行动规划 2018-2020 年》中再次强调建设制造强国，加快推进制造业智能化、绿色化、服务化，增强制造业核心竞争力，推动我国制造业加快迈向全球价值链中高端。

中高,光纤激光器,功率,激光器

图 1-3 为 2013-2016 年我国低中高功率激光器的销售数量，虽然我国的激光设备市场庞大，销售收入大，但从图 1-3 中可以看出，我国销售的激光器主要集中在低功率的激光器，中功率的国产激光器微微领先进口的激光器， 1.5KW 以上的激光器，大部分销售是被国外厂商垄断，国产的中高功率的激光器在性能上与国外相比还存在较大的差距。

【参考文献】