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國內外激光切割技術研究現狀

發布時間:2017/9/5     信息來源:http://www.mediaworksasia.com   作者:激光切割機    0

激光是自1960年問世後就很快發展並在實際中得到應有的高新技術。隨著對相關基本理論研究的不斷深化,各類激光器元件的不斷發展,從而使其應用領域也不斷拓寬,應用規模逐漸擴大,所獲得的經濟效益和社會效益更加顯著。

激光切割技術以其切縫窄、工件變形小、無接觸性,以及廣泛的適應性和靈活性在工業領域應用廣泛,而且整個工藝過程對環境沒有汙染。其最主要的四個工藝參數為:激光功率、切割速度、焦點位置及輔助氣體壓力。本文綜述了國內外激光技術的研究現狀,並對今後的發展趨勢做出了展望。

1 )國內研究現狀

目前,國內主要研究方向在鋼板的激光切割工藝方麵,少數涉及到有色金屬的切割工藝。

湖南大學激光研究所分析了焦數比、聚焦光斑直徑、輔助氣體壓力和切割速度對切割質量的影響,研究表明,在保證焦深的前提下,光斑直徑越小,切縫越窄,切口表麵粗糙度越低。而光斑直徑與焦數比有關,在焦數比取最佳值的前提下,焦距實際上由光斑直徑決定。采用激光器切割石油割縫篩管和電力機車定子的端板研究發現,在切割速度為0.8m/min、輔助氣體壓力5MPa、焦距65mm時獲得優質的切縫。

郭建利用有限元分析軟件建立了適合激光切割鈑金件的三位實體模型,介紹了鈑金件在自重和激光切割熱源共同作用下,進行切割時工件變形大小的計算方法。將激光切割熱源簡化為高斯熱源,運用APDL語言分析計算了激光切割時實際工件的變形大小,研究結果對實際的激光切割鈑金件的夾具設計具有很大幫助。

梁昆等在對激光切割紫銅板的工藝研究中發現,當選用激光功率為3kW、離焦量選擇工件下表、輔助切割氣體壓力2×105Pa、切削速度依據經驗公式V=1.3×(1-R)Pt/(KDd)(其中R為材料反射率,Pt為激光輸出功率,K為材料導熱係數,D為材料厚度,d為光斑直徑)計算得出時,得到切割質量較好,切縫窄、切邊平行性良好、切割麵光潔無掛渣。

楊蘇慶等在CO2激光切割機對板材加工應用分析基礎上,對其設計和應用過程的一些關鍵技術進行了詳細分析,使板材加工技術得到更廣泛的應用。

湯漾平等通過研究激光切割焦點位置控製係統的結構模型,確定了控製係統必須滿足的性能指標,進而提出PID的控製方案,使係統獲得較好的動態特性。試驗表明,運用此種方案,係統對楔形工件和起伏工件的跟蹤均能滿足要求。

鄭芳等初步探討了激光切割在機車鋼結構件製造中的應用,按照薄板高壓高速,厚板低壓低速的原則,並根據實踐對影響碳鋼鋼板切割質量的影響因素進行分析,給出了1~10mm厚鋼板激光切割的主要工藝參數。

謝小柱等采用PHC-1500型激光器切割18mm厚模切板,研究發現切割深度與切割速度成反比,與功率成正比,隨焦點位置下移而增加。研究還發現給定材料厚度下的最大切割速度大於最佳切割速度,且兩者都隨激光功率的增加而增加,最大切割速度和激光功率之間近似呈線性關係;切縫形狀先收縮、再擴張、再收縮,且每次擴張的幅度逐漸減小,類似振幅逐漸減小的波浪。

王世勇等為使激光功率跟隨加工速度按照所需比率同步變化,建立了材料單位麵積激光功率與切縫深度、激光器控製信號與輸出功率間的函數關係。通過多段線性近似建立相應的定量關係,並結合閉環控製策略能夠實現高精度的功率控製。通過在每個插補周期更新插補位置和激光功率能夠實現功率與運動精確的同步控製。試驗結果表明,功率控製精度約為1.47%,切縫深度誤差在1%之內。

陳繼民等提出用實驗設計與人工神經網絡相結合的方法,建立了一個激光切割工藝參數的選擇優化的智能係統。通過試驗設計的方法,隻需做少數切割試驗,將結果輸入人工神經網絡中進行訓練和學習,係統便可經過自學得到切割結果與切割參數之間的隱含定量關係,獲得切割知識。此方法結合了大量工藝試驗與專家經驗的優點,使結果預測建立在既有實驗數據又有專家知識的基礎上,因而準確可靠。

佟明等利用SkW橫流CO2激光器對3mm厚Q235鋼板進行激光切割試驗,得到最佳工藝參數為:激光功率1395W,離焦量0.5mm,切割速度20mm/s,氧氣壓力0.5MPa。試驗還證明,切口質量的影響切割速度、激光功率和板材厚度對最大,為保證產品技術性,需選擇合適的切割速度,同時為提高產品的經濟性,提高效率,還需在保證品質的前提下,盡可能縮短切割時間。

何月鵬等在激光切割機工作原理的基礎上,從激光固有特性、激光切割工藝和被切割材料特性等方麵分析了光斑模式、焦距深度、切割功率、切割速度、輔助氣體及壓力、光程切割材料等影響激光切割質量的因素。

金清肅等在汽車橋殼的焊接中,應用激光切割的方法改進衝裁下料工藝,較好的解決了傳統下料工藝中存在的切割質量差的問題,同時還降低了生產成本,提高了焊接效率。對於小批量衝裁下料的焊接件也可直接采用激光切割下料,減少模具的投入。

王斌修等用YAG脈衝激光器對1Cr18Ni9Ti不鏽鋼進行切割試驗,探討了其加工的工藝特點,分析了激光功率、切割速度、焦點位置以及輔助氣體的壓力等對切割質量的影響。試驗結果表明,隻要工藝參數選擇適當,可獲得很好的切口質量,且能提高生產效率。

滕傑等總結了在激光切割過程中的常見問題,包括切不透、切割封閉線的起點與終點不重合、激光不出光、切割件穿孔點位置沒切透而後麵切透、切割時工作台跳動且位置大致固定等問題,並給出了相應的解決方案。

畢玉春等分析了激光切割原理及加工特點,並從理論上和大量的試驗結果中,深入研究了影響激光切割加工的相關物理參數及工藝參數,建立了切割速度與材料厚度和激光功率的關係曲線,以便更加直觀的探討激光加工板材厚度、激光功率和切割速度三者之間的內在關係。


2) 國外研究現狀

由於國外的激光切割工藝比較成熟,目前的研究領域主要集中在數字模型對切割過程的模擬,以及特殊情況下的激光切割。

賓夕法尼亞大學Akarapu等用3D有限元方法計算了激光切割的熱應力和機械應力。研究了激光切割最主要的三個參數,即光斑直徑、激光功率和光斑與工件的位置。研究發現,切縫的形狀隨著參數的改變而發生變化。

波多黎各大學Gustavo Gutierrez等用數字模擬的方法對激光切割過程進行了仿真,分析了激光功率、切割速度等工藝參數對切割質量的影響。與Roy和Modest等試驗進行比對,結果相符。文章還得出結論,在激光切割過程中,對流和熱輻射對熱量流失無明顯影響。

Neimeyer等用CO2激光器對楔形工件進行切割試驗。通過一係列試驗研究了激光切割中走刀速度、輔助氣壓對切割質量的影響。試驗分別給出了走刀速度和輔助氣壓變化下工件毛刺變化的趨勢以及工件厚度對毛刺大小的影響。試驗結果表明,在高的走刀速度和小的輔助氣壓下,切割的毛刺較小,而工件厚度對毛刺大小影響不明顯。

法國核安全和防輻射研究所Guy Pilot等用Nd-YAG激光器切割核反應堆廢舊脫水器,材料為Uranus 65鋼,試驗在35m2通風實驗室進行。試驗結果表明,與鋸切、50A等離子切割、200A等離子切割、1kW無輔助氣體激光切割相比,4kW激光切割無次生汙染,且產生浮質最少,是核反應堆脫水器拆除切割的最佳選擇。Pilot還對YAG激光器切割板厚進行了研究,試驗表明,8kW固體激光器能成功切割100mm厚A42鋼。

美國愛荷華大學Hsu等用CO2激光切割機對不鏽鋼板進行切割試驗。對6.35mm厚AISI-304不鏽鋼鋼板進行切割發現,在激光功率1.2kW、走刀速度12.7mm/s及使用雙噴嘴給氣(其中一個同軸,一個側吹)下,得到很好的切割質量,無激光瘤。作者還用建模和XRD方式對切縫進行分析,發現切縫無Cr203,這一結論說明板材的防腐蝕性能未被破壞。

意大利博洛尼亞大學Marco Troncossi等為提高激光切割質量,對激光器的振動進行了研究。作者建立了彈性動力學模型,在模型分析的基礎上揭示了“時間/空間曆史”結構的應激反應。通過對激光器關鍵部件的優化設計,使其振動行為得到有效的改善,從而提高了激光切割質量。

3 )結束語

綜上所述,激光切割技術已受到國內外研究者的重視並取得了一定的進展。由於試驗條件及工藝參數的不同,得到的結果也有一定的出入。由此可見,為進一步提高激光切割的質量,應該加大研究力度,今後需要從以下幾方麵努力:

(1)激光器方麵:隨著科技的發展,激光切割技術將向著大功率、智能化方向邁進。所以,應大力開發適合激光切割用的大功率激光器以及相應的自動控製技術。

(2)切割工藝方麵:改進現有工藝,探索新的切割工藝,將激光切割技術推廣到更多的生產領域。

(3)國際合作方麵:與德、美等國相比,AG亚游集团在激光切割領域還落後很多,很多方法和經驗值得學習借鑒,應加強與技術先進國家的技術交流。

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