光纤激光切割低碳钢板切口质量研究

华中科技大学硕士学位论文光纤激光切割低碳钢板切口质量研究姓名：张小伟申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：王春明20090526华中科技大学硕士学位论文I摘要激光切割技术作为激光加工领域重要的一种技术，广泛应用于现代工业中的各个领域，国内外众多学者对激光切割质量的影响因素进行了大量研究，但是系统的总结和归纳很少。本文以激光切割2mm低碳钢板实验为基础，系统研究了激光功率、切割速度、喷嘴离工件表面距离、辅助气体压力和种类等切割参数对切割质量的影响，其中选取切缝宽度、表面粗糙度、挂渣厚度和条纹间距作为评价切割质量的标准，综合分析了工艺参数对切割质量的影响规律并研究了影响机理，同时通过对比切缝表面质量，获得了辅助气体为氮气和氧气条件下激光切割低碳钢的最佳工艺参数。在实验数据分析的基础上，利用回归分析建立了激光切割质量数学模型，包括切割宽度、表面粗糙度、挂渣厚度和条纹间距，并通过实验对数学模型加以验证。采用人工神经网络对实验数据进行训练分析，预测切割质量并反馈回神经网络加以优化。对采用回归分析和人工神经网络建立的切割质量模型的实验误差进行比较，并根据切割质量模型研究激光功率、切割速度、喷嘴离工件表面距离和辅助气体压力对切割质量的综合影响。对低碳钢板激光切割实验进行总结，并将实验数据加以归纳整理，为建立低碳钢激光切割工艺参数数据库打下基础，为建立激光切割物理模型提供实验依据。关键词：激光切割工艺参数判定标准回归分析人工神经网络华中科技大学硕士学位论文IIAbstractLasercutting,asoneofthemostimportanttechnologyinthefieldoflaser-processing,iswidelyusedinthemodernindustry.Muchworkabouttheeffectsofthecuttingparametersonthequalityoflasercuttinghasbeendonebyresearchers.Unfortunately,fewstudiesaboutthesystematicsummaryinlasercuttingqualityhavebeenreported.Inthisstudy,lasercuttingwascarriedoutonlow-carbonsteelplatewithathicknessof2mm.Theeffectsoftheexperimentalparametersonthequalityoflasercutting,suchaslaserpower,cuttingspeed,distancebetweenthenozzleandthesamplesurfaceaswellaspressure/typeoftheassistantgas,weresystematiclyanalyzed.Kerfwidth,kerfroughness,slagthicknessandstriationspacingwereselectedascriteriaofcuttingquality.Theinfluencesregulationofcuttingparametersonthelasercuttingqualityweresyntheticallyanalyzed.Atthesametime,apropercuttingparameterwindowinlasercuttingoflow-carbonsteelwasobtainedwhennitrogenandoxygenwereusedasassistantgas.Basedonexperimentaldata,mathematicsmodelsoflaser-cuttingqualityincludingkerfwidth,kerfroughness,slagthicknessandstriationspacingwereestablishedbyusingregressionanalysis.Furthermore,themodelswereverifiedbycuttingexperiments.Theexperimentaldataweretrainedandanalyzedbyusingartificialneuralnetwork,whichcanforecastthecuttingqualityandfeedbackneuralnetworktointurnoptimizethemodels.Theexperimentalerrorsofcuttingqualitymodelsestablishedbyusingregressionanalysisandartificialneuralnetworkwerecompared.Inaddition,thesyntheticalinfluencesoflaseroutputpower,cuttingspeed,nozzledistancefromthesurface,assistantgaspressureonthecuttingqualitywerestudiedbyusingthesemodels.Theexperimentaldataoflasercuttinglow-carbonsteelweresummarizedandanalyzed,whichprovidesconditionsforthedatabaseestablishmentoftechnologyparametersinlasercuttinglow-carbonsteelandprovidesexperimentalbasisforestablishingaphysicalmodeloflasercutting.Keywords:Lasercutting,Technologyparameters,Criterion,Regressionanalysis,Artificialneuralnetwork独创性声明本人声明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研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在___年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本论文属华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1引言激光器的发明为金属材料和非金属材料的加工提供了一种新的方法。世界第一台激光器是于1960年由美国科学家梅曼等人发明的红宝石激光器；1961年，He-Ne气体激光器在美国贝尔实验室由贾范等人研制成功；1961年Johnson发明了掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器；1962年霍耳等人研制了砷化镓半导体激光器；第一台CO2激光器是在1964年由Patel发明；随后，多种激光器相继问世，如自由电子激光器、染料激光器、X射线激光器、光纤激光器等[1-3]。在现阶段，工业领域应用最多的高功率激光器是CO2激光器和YAG激光器，同时作为第四代激光器的代表——光纤激光器的发展速度越来越迅速，使用光纤激光器对材料进行激光加工的研究越来越多[4,5]。随着高功率激光器的不断发展，激光加工技术在工业领域得到了广泛的应用，激光切割是激光加工行业最重要的一种技术，占整个激光加工行业的70%以上[6]。激光切割的工业应用始于20世纪70年代初，最初用在硬木板上切非穿透槽，嵌刀片，制造沖剪纸箱板的模具等。随着激光切割技术的高速发展，可用于激光切割的工程材料也越来越多，包括金属材料和非金属材料两类。其中金属材料包括碳钢、不锈钢、合金钢、铝及铝合金、钛及钛合金等；非金属材料包括陶瓷、石英、玻璃、木材、塑料、橡胶及布料纤维等[7,8]。与其他传统切割方法相比，激光切割有如下优点[9]：切割缝隙窄，具有良好的切割精度；切割速度快，热影响区小；切缝边缘垂直，切边光滑；切边没有机械力，不产生剪切毛刺和切屑；不存在刀具损耗和接触能量损耗等现象，可以实现高速激光切割，且切割不受方向限制；切割噪音低。激光切割根据工件热物理特性和辅助气体的特性可分为汽化切割、熔化切割、反应熔化切割和控制断裂切割四类[10]。华中科技大学硕士学位论文21.2激光切割技术国内外发展现状1.2.1激光切割技术国外发展现状激光切割技术在国外已经发展的相当成熟，由于特有的优异加工性能而被广泛应用，德国、美国等西方工业化国家和先进的发展中国家均致力于这项技术的研究和应用。目前，激光切割应用范围正在不断地扩大，已达几十个领域。其中最具有代表性，应用最为广阔的是汽车制造业。据估计，约有60%的汽车零部件可以通过激光切割来提高质量，美国的汽车制造商早在1969年，就把激光加工技术应用于汽车齿轮、刹车片的加工[6,8]；随着激光切割厚板技术的成熟，激光切割也应用于造船业中，德国的Blohm&Voss于1999年就将激光切割技术应用到了军舰与民用船舶的建造中[11]；2004年8月，俄罗斯研究人员开发出一种能够简单高效地将蓝宝石晶体切割成厚度不到1微米薄片的激光装置，研究人员希望使用该装置替代目前使用的钻石刀来切割微芯片[12]；随着三维激光切割技术的发展，激光切割技术应用于航天航空制造业[13]，如飞机舱口、入口孔、仪表板的三维激光切割、F-16战斗机射线管的激光切割[14,15]；同时国外发达国家还将激光切割技术应用于医学、电子、食品和轻工纺织等领域。1.2.2激光切割技术国内发展现状同国外的发展情况相比，由于我国激光工业技术研究起步较晚，工业基础较差，激光加工技术的应用尚不普遍，激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距。但从20世纪70年代中期起我国对激光加工技术的研究给予了相当的重视，自1985年以来，更以每年25%以上的速度增长。湖南大学激光研究所在1994年研制成功国内第一台桁架式折叠准封离型切割与焊接激光器，并获得国家发明专利，每台设备的售价只有国外产品的1/2；2004年9月，华工科技生产的首批高性能激光切割机在武汉通过验收，标志着我国成功推出第一台国产化高性能激光切割机，得到国内外销售客户和技术专家的充分肯定；上海大众汽车公司新的桑塔纳生产线引进高功率YAG三华中科技大学硕士学位论文3维加工系统；2004年国内造船业中，南通中远川崎船舶工程有限公司(NACKS)率先从日本田中株式会社引进两台激光切割机[16]；随着我国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激光切割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[8,17]。1.3课题的研究现状、意义及工作内容1.3.1课题的研究现状激光切割过程中伴随着动力学、热力学等问题，是一个非常复杂的热物理过程，因而其切割质量不易预测，国内外众多学者对激光切割质量影响进行了大量的研究，取得了一定的卓效。W.K.Hamoudi提出切割钢板时切割速度和辅助气体对切割的质量具有显著影响，对给定的材料、厚度和激光功率有一个最佳的切割速度范围，在条纹频率和切割速度之间有线性关系[18]。Biermann和Nuss等人指出，运动系统的参数、激光功率及气流等都显著影响切口的表面形貌，因此要获得良好切割质量必须控制好切割参数[19]。Neil等研究了氧气流的纯度对激光切割的影响，发现对于10mm以内的板材切割，氧气流的纯度影响并不明显，但当板厚超过10mm以后，则会