大功率碟片激光切割汽車(chē)零件工藝研究*

殷志雄，肖海兵

(江西五十鈴發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，江西 南昌 330200)

大功率碟片激光切割汽車(chē)零件工藝研究*

殷志雄，肖海兵

(江西五十鈴發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，江西 南昌 330200)

針對(duì)碟片激光切割加工工藝的復(fù)雜性，主要研究了大功率碟片激光切割理論與切割工藝。首先研究了大功率碟片激光器與切割碳鋼的工藝?yán)碚?；其次研究了碟片激光氧化切割工藝與激光穿孔技術(shù)；最后通過(guò)碟片激光切割試驗(yàn)臺(tái)，以汽車(chē)碳鋼零件為試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法與試驗(yàn)流程，驗(yàn)證了碟片激光切割碳鋼材料的速度與激光功率成正相關(guān)。選用合理的切割和穿孔參數(shù)解決了碟片激光器切割碳鋼穿孔等技術(shù)問(wèn)題，提高了汽車(chē)零件的激光切割效率與切割質(zhì)量。

碟片激光器；激光切割；切割工藝；切割穿孔；切割質(zhì)量

激光切割是利用激光器輸出高能量密度的激光束，并聚焦在切割材料表面，使工件材料上被超細(xì)焦點(diǎn)光斑照射的區(qū)域融化和氣化。由于車(chē)輛零件要求精度高、誤差小，因此對(duì)激光切割提出了更高的要求。研究車(chē)輛碳鋼材料的切割對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

目前，H.Sotobayashi[1]研究了摻鉺光纖激光器，采用特殊工藝，在光纖芯層沉積中摻入極小濃度的鉺離子，制作出了摻鉺光纖。何煦輝等[2]研究了碟片式激光器及其在工業(yè)中廣泛的應(yīng)用。陳根余等[3]總結(jié)了三維激光切割的應(yīng)用，綜述了三維切割技術(shù)的發(fā)展。閻啟[4]通過(guò)汽車(chē)?yán)滠堜摪寮す馇懈钤囼?yàn)，分析了激光切割工藝參數(shù)對(duì)粗糙度和切縫寬度等切割質(zhì)量的影響。陳亞軍[5]研究了機(jī)器人光纖激光切割系統(tǒng)切割碳鋼工藝，通過(guò)試驗(yàn)研究表明，大功率激光切割在碳鋼切割中具有切割效率高與速度快等優(yōu)勢(shì)。Sparkes等[6]研究了激光切割不銹鋼，研究表明，改變氣壓、離焦點(diǎn)位置和噴嘴直徑等參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量有較大影響。

本文研究大功率碟片激光切割理論，探討碟片激光切割工藝。通過(guò)碟片激光切割試驗(yàn)臺(tái)，研究切割工藝參數(shù)，優(yōu)化大功率碟片激光切割工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)更好的切割效率與切割質(zhì)量，滿足企業(yè)生產(chǎn)需要。

1 碟片激光切割理論模型

1.1 碟片激光器

新一代碟片激光器(Disk Laser)的棒狀晶體為碟片晶體。碟片激光器結(jié)構(gòu)由抽運(yùn)模塊、晶體腔體、諧振腔、光導(dǎo)纖維接口以及實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)組成。碟片式激光器把棒狀晶體吸收的功率壓縮到比棒狀晶體小得多的增益介質(zhì)內(nèi)部，以提高激光功率密度。碟片式激光器內(nèi)部的實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)，提高了光電轉(zhuǎn)化效率。碟片激光器的工作物質(zhì)通過(guò)外部的冷水機(jī)熱傳導(dǎo)冷卻，整個(gè)外光路通過(guò)光纖傳輸，封閉性好，提高了激光束質(zhì)量[7]。

1.2 激光切割工藝

激光氧化切割使用氧氣等輔助氣體，在激光束的照射下，與氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。激光氧化切割工藝參數(shù)影響著激光切割質(zhì)量，工藝參數(shù)主要包括激光器功率、切割速度、焦點(diǎn)位置、輔助氣體壓力、穿孔參數(shù)和噴嘴直徑等。激光切割工藝表見(jiàn)表1。

碟片激光器輸出功率是影響激光切割質(zhì)量的關(guān)鍵。激光切割所需要的激光功率主要取決于切割類(lèi)型以及被切割材料的性質(zhì)。輔助參數(shù)有焦點(diǎn)位置、輔助氣體和噴嘴參數(shù)， 根據(jù)切割不同厚度板材選擇

表1 激光切割工藝表

不同切割焦點(diǎn)位置以及噴嘴直徑大小。穿孔技術(shù)參數(shù)有爆破沖孔和脈沖穿孔2種方式，穿孔切割參數(shù)包括氣壓大小、穿孔次數(shù)、穿孔時(shí)間和脈沖頻率等。脈沖穿孔技術(shù)是每個(gè)脈沖激光產(chǎn)生小的微粒噴射，逐層深入進(jìn)行切割。

在脈沖穿孔方式中，碟片式激光器快速地開(kāi)起和關(guān)斷。脈沖參數(shù)、頻率和占空比設(shè)定由開(kāi)起時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間決定，以開(kāi)起時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間來(lái)計(jì)算頻率并確定運(yùn)行情況。

f=1/(t開(kāi)+t關(guān))

(1)

μ=(t開(kāi)×100)/(t開(kāi)+t關(guān))

(2)

式中，f是激光頻率；μ是占空比；t開(kāi)是開(kāi)起時(shí)間；t關(guān)是關(guān)斷時(shí)間。

2 實(shí)例分析

碟片激光切割試驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖1所示。大功率碟片激光切割試驗(yàn)臺(tái)由激光器、機(jī)床、操作系統(tǒng)、交換工作臺(tái)和除塵系統(tǒng)等部分組成。激光器采用TruDisk2000，通過(guò)穩(wěn)壓電源供電以及冷水機(jī)進(jìn)行冷卻。機(jī)床部分由床身X軸、橫梁Y軸、Z軸、導(dǎo)軌和底座等組成；除塵系統(tǒng)通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)抽取廢氣排出；激光切割機(jī)的切割功能和切割精度是由主機(jī)部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的；交換工作臺(tái)分為切割工作臺(tái)與上料工作臺(tái)，通過(guò)液壓控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)。激光器TruDisk2000參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 碟片激光切割試驗(yàn)臺(tái)

表2 TruDisk2000 參數(shù)

2.1 試驗(yàn)流程

在激光切割試驗(yàn)過(guò)程中，首先根據(jù)切割模型，繪制、檢查與編輯圖形；其次設(shè)置工藝參數(shù)，在切割穿孔過(guò)程中，調(diào)節(jié)穿孔參數(shù)，優(yōu)化穿孔切割；然后手動(dòng)設(shè)置原點(diǎn)，仿真模擬邊檢，自動(dòng)加工控制，查看切割效果。根據(jù)切割效果，調(diào)整切割工藝參數(shù)，使得切割滿足要求。激光切割流程如圖2所示。

圖2 激光切割流程圖

2.2 試驗(yàn)分析結(jié)果

試驗(yàn)分別切割2、4、6、8、10和12 mm的Q235碳鋼，分別采用0.8、1.6和2 kW不同功率進(jìn)行試驗(yàn)切割。切縫相同，選擇不同的碳鋼厚度，調(diào)整切割功率與切割速度，得出切割功率、切割速度與切割碳鋼厚度關(guān)系的變化；激光切割功率與切割速度、切割厚度的關(guān)系如圖3所示。

圖3 切割功率與切割速度、切割厚度的關(guān)系

選擇某2種類(lèi)型的汽車(chē)零件(個(gè))，材料均為碳鋼(個(gè))。對(duì)于8 mm的板厚，設(shè)置切割功率1 700 W，噴嘴尺寸1.0 mm，氣壓0.075 MPa，切割高度0.8 mm，采用3次穿孔(參數(shù)見(jiàn)表3)。

表3 穿孔切割工藝參數(shù)

激光切割效果通過(guò)切口寬度、精度和表面粗糙度等進(jìn)行評(píng)價(jià)。激光切割效果如圖4所示，激光切割孔中心距誤差精度為0.1～0.4 mm，切口表面粗糙度為Ra(12.5～25) μm，切割表面沒(méi)有熔化層與熔渣，切割質(zhì)量滿足裝配要求。

圖4 激光切割效果

3 結(jié)語(yǔ)

在碟片激光切割過(guò)程中，切割速度與激光功率和切割材料等密切相關(guān)。選擇合理的工藝參數(shù)，控制好焦點(diǎn)位置與穿孔參數(shù)，可以取得較好的切割效果。試驗(yàn)表明，碟片激光切割具有變形小、切割精度高、切割速度快及切割效率高等優(yōu)點(diǎn)。

[1] Sotobayashi H, Gopinath J T, Takushima Y,et al.Broad-Band wavelength-tunable，single frequency and single polarization bismuth oxide-based erbium-doped fiberlLase[J]. IEEE Photonics Technology Letter，2004,16(7):1628-1630.

[2] 何煦輝.碟片激光器及其在工業(yè)中的應(yīng)用[J].激光與光電子進(jìn)展，2009,7(21)：64-66.

[3] 陳根余，曹茂林，黃豐杰. 三維激光切割的應(yīng)用和研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2007，44(3)：38-42.

[4] 閻啟，劉豐.工藝參數(shù)對(duì)激光切割工藝質(zhì)量的影響[J].應(yīng)用激光，2006(6)：80-82.

[5] 陳亞軍.機(jī)器人光纖激光切割系統(tǒng)切割碳鋼工藝研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2011.

[6] Sparkes, Martin,Gross, et al. Practical and theoretical investigations into inert gas cutting of 304 stainless steel using a high brightness fiber laser[J].Journal of Laser Applicaton,2008,20:59-67.

[7] 宋祥.高功率碟片式激光器諧振設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

*中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)基金項(xiàng)目(2014ZB0023)

責(zé)任編輯馬彤

《新技術(shù)新工藝》雜志征稿啟示

《新技術(shù)新工藝》雜志是中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所主辦的工業(yè)技術(shù)類(lèi)期刊，自1981年國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行至今已二十余年，榮獲中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司優(yōu)秀科技期刊一等獎(jiǎng)，國(guó)家新聞出版總署“雙效期刊”，并連續(xù)幾年被評(píng)為中國(guó)科技核心期刊，中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊、檢索源期刊。同時(shí)還被《中文科技期刊數(shù)據(jù)庫(kù)》、《〈中國(guó)核心期刊(遴選)數(shù)據(jù)庫(kù)》、CEPS中文電子期刊、中國(guó)學(xué)術(shù)期刊(光盤(pán)版)電子雜志社收錄。為加強(qiáng)學(xué)術(shù)交流,促進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展,熱忱歡迎高等院校的科技工作者和企業(yè)技術(shù)人員踴躍投稿。

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ResearchonHighPowerDiskLaserAlctoPartsCuttingProcess

YIN Zhixiong， XIAO Haibing

(Jiangxi ISUZU Motors Co.,Ltd., Nanchang 330200, China)

Focused on complexity of disk laser cutting process, high power disk laser cutting technology was studied. Firstly, high disc power laser and cutting theory was studied. Secondly, the oxidation cutting process and perforation cutting were researched. Finally, through disk laser cutting test, taking the auto carbon steel material parts as test object and designing cutting process, the perforation of the disc type laser cutting carbon steel technical problem was solved by choosing reasonable cutting process parameters. The results showed that high power disk laser cutting with high efficiency and quality can achieve the best cutting technology of auto carbon steel parts.

disk laser, laser cutting, cutting technology, perforation cutting, cutting quality

TH 162

：A

殷志雄(1968-)，男，工程師，主要從事柴油機(jī)設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù)等方面的研究。

肖海兵

2014-10-18