四種輔助氣體對激光切割鍍鋅板的影響
2017-6-12 來源：遼寧科技大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 作者：高亮，陳宇翔，苗露
摘要:為了研究鍍鋅板激光切割工藝，開展了 Ｎｄ：ＹＡＧ 脈沖激光切割機(jī)切割厚度是０．５ｍｍ 的熱鍍鋅板的工藝實(shí)驗(yàn)，使用了氮?dú)猓ǎ危玻⒀鯕猓ǎ希玻鍤猓ǎ粒颍┖涂諝馑姆N輔助氣體。分別使用激光電源的不同工藝參數(shù)，包括輸出電流、脈沖脈寬、脈沖頻率等，通過多次實(shí)驗(yàn)測出最佳工藝參數(shù)，氮?dú)猓ǎ危玻┑淖罴压に噮?shù)為電流１６０Ａ、脈寬１ｍｓ、頻率６０Ｈｚ、加工速度４００ｍｍ／ｍｉｎ；氧氣（Ｏ２）的最佳工藝參數(shù)為電流１４０Ａ、脈寬０．８ｍｓ、頻率５０Ｈｚ、加工速度４５０ｍｍ／ｍｉｎ；Ａｒ能切開但掛渣較多的工藝參數(shù)為電流１７０Ａ、寬１．２ｍｓ、頻率６５Ｈｚ、加工速度３００ｍｍ／ｍｉｎ；空氣的最佳工藝參數(shù)為電流１６０Ａ、脈寬１．０ｍｓ、頻率６５Ｈｚ、加工速度３００ｍｍ／ｍｉｎ。通過測量切縫寬度以及觀察掛渣量的多少，判斷切割質(zhì)量，得到結(jié)論：氧氣適用切割較厚鍍鋅板，氮?dú)膺m用切割薄鍍鋅板，氬氣切割鍍鋅板效果不佳，針對本次實(shí)驗(yàn)，空氣切割質(zhì)量最好。
關(guān)鍵詞:激光器；激光切割；鍍鋅板；工藝參數(shù)；縫寬
０.引言
因鍍鋅層在鋼鐵表面具有物理屏蔽及電化學(xué)保護(hù)作用［１］，所以鍍鋅板具有良好的耐腐蝕性［２－３］，被廣泛應(yīng)用在電力、建筑、交通、化工等領(lǐng)域［４－６］。尤其是在汽車領(lǐng)域里，使用超高強(qiáng)度的鍍鋅板可以大幅度提高車身耐腐蝕性能，提高 汽車的使 用 壽 命［７］。傳統(tǒng)機(jī)械切割技術(shù)切割鍍鋅板對鍍層具有破壞作用，而且不易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜情況的切割［８］。激光切割技術(shù)具有切割速度快、切縫窄、工件無變形、靈活性等優(yōu)點(diǎn)［９－１０］，廣泛應(yīng)用在工業(yè)加工領(lǐng)域［１１］。目前，國內(nèi)激光切割應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大，已達(dá)幾十個領(lǐng)域，其中最具有代表性、應(yīng)用最為廣闊的是汽車制造業(yè)。據(jù)估計(jì)，約有６０％的汽車零部件可以通過激光切割來提高質(zhì)量［１２］，包括汽車焊接用到鍍鋅板的切割，但國內(nèi)研究鍍鋅板切割文獻(xiàn)幾乎沒有。鍍鋅板焊接質(zhì)量的好壞主要取決于切割過程是否存在掛渣、過燒現(xiàn)象、切割縫寬大小以及對鍍鋅層的影響，所以研究激光切割影響光能量的因素對切割鍍鋅板質(zhì)量好壞具有重要意義。
影響激光切割的因素很多，如激光聚焦的透鏡焦距、加工對象對激光的吸收波長、決定能量大小的輸出功率、脈沖輸出功率的比例和頻率等。除此以外，從噴嘴向被加工件噴射的輔助氣體對加工質(zhì)量及加工性能也起著重要的作用［１３－１４］。
本文從Ｎｄ：ＹＡＧ脈沖激光器的輸入功率、頻率、脈寬、加工速度等幾個方面研究激光切割鍍鋅板工藝實(shí) 驗(yàn)。分別使用四種輔助氣體（依次是氮?dú)猓ǎ危玻⒀鯕猓ǎ希玻鍤猓ǎ粒颍┖涂諝猓┫碌牟煌に噮?shù)，進(jìn)行多次切割實(shí)驗(yàn)，通過 塞尺測量每組切縫寬度，繪制出數(shù)據(jù)相對應(yīng)的圖片，觀察掛渣量多少進(jìn)行比較分析數(shù)據(jù)，從而得出結(jié)論。
１.實(shí)驗(yàn)方法
１．１ 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
實(shí)驗(yàn)采用固體 Ｎｄ：ＹＡＧ激光切割機(jī)，見圖１。其型號是ＪＨＭ－１ＧＹ－３００Ｂ。參數(shù)為激光波長１．０６μｍ，激光額定平均功率３００ Ｗ，激光脈沖頻率１～２００Ｈｚ（可調(diào)），激光脈沖寬度０．１～２０ｍｓ（可調(diào)），聚焦鏡焦距ｆ＝７５ｍｍ，聚焦光斑直徑０．３～０．６ｍｍ。四種輔助氣體為氮?dú)猓ǎ危玻⒀鯕猓ǎ希玻鍤猓ǎ粒颍┖涂諝狻?/font>
圖１ Ｎｄ：ＹＡＧ 激光切割機(jī)
１．２ 實(shí)驗(yàn)材料
實(shí)驗(yàn)所用材料是熱鍍鋅板 ＤＸ５１，材料的尺寸為１５０．０ｍｍ×１３３．０ｍｍ×０．５ｍｍ，實(shí)驗(yàn)的切縫長度２２ｍｍ。切割材料板如圖２所示。
圖２ ＤＸ５１鍍鋅板
１．３ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
１．３．１ 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果
實(shí)驗(yàn)分別使用氮?dú)猓ǎ危玻⒀鯕猓ǎ希玻ⅲ粒蚝涂諝馑姆N輔助氣體，每組輔助氣體下通過調(diào)節(jié)激光器的輸出電流、頻率、脈寬以及工作臺的加工速度，依次取十組值進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，每道切縫均用塞尺測量寬度，然后使用 Ｏｒｉｇｉｎ 畫出寬度隨電流的變化曲線、寬度隨頻率的變化曲線、寬度隨脈寬的變化曲線、寬度隨加工速度的變化曲線，結(jié)果如圖３～圖６所示。
圖３ 不同電流下的切縫寬度
圖４ 不同頻率下的切縫寬度
圖５ 不同脈寬下的切縫寬度
圖６ 不同加工速度下的切縫寬度
這里針對此設(shè)備定義新的激光器參數(shù)，焦相點(diǎn)即激光切割機(jī)噴嘴與工件表面貼合住，往上移動的相對距離。因?yàn)樵O(shè)備實(shí)際焦點(diǎn)不易確定，本實(shí)驗(yàn)取焦相點(diǎn)，進(jìn)行每次實(shí)驗(yàn)之前都調(diào)節(jié)焦相點(diǎn)，大小均為０．７５ｍｍ，所以可認(rèn)為每次實(shí)驗(yàn)的離焦量相同。
２.結(jié)果分析
２．１ 共同規(guī)律
從圖３～圖６可看出，增大電流、頻率、脈寬，減小加工速度，都能增大切縫寬度。這是因?yàn)樵黾虞敵鲭娏鳌㈩l率、脈寬，減小加工速度即是增加了單位面積上激光器的輸出能量，即增大激光功率密度，照射工件表面使其熱量累積，熔化的切縫寬度會增大，但增大到一定程度時，趨于不變，因?yàn)榇藭r影響切縫的變?yōu)楣獍咧睆剑x焦量相同時，其光斑直徑基本一致，所以切縫寬度趨于不變。
２．２ 不同規(guī)律
２．２．１ 使用氮?dú)猓ǎ危玻┳鳛檩o助氣體切割
如圖３～６所示，其切割切縫最窄，但需要閾值能量較大。因?yàn)榈獨(dú)猓ǎ危玻┲饕鳛楸Ｗo(hù)氣體，能夠吹除熔渣，趨于不變的參數(shù)相對氧氣較大，實(shí)驗(yàn)測得最佳工藝參數(shù)為電流１６０ Ａ，脈寬１ｍｓ，頻率６０Ｈｚ，加工速度４００ｍｍ／ｍｉｎ。
２．２．２ 使用氧氣（Ｏ２）作為輔助氣體切割
如圖３～圖６所示，氧氣（Ｏ）切割，切縫最寬，切割閾值能量比較低。因?yàn)檠鯕饩哂兄夹Ч懈铄冧\板需要能量相對其他氣體的需要能量小，但其燃燒產(chǎn)生熱量大，所以切縫寬度較大。
實(shí)驗(yàn)測得最佳工藝參數(shù)為電流 １４０ Ａ，脈 寬０．８ｍｓ，頻率５０Ｈｚ，加工速度４５０ｍｍ／ｍｉｎ。
２．２．３ 使用氬氣（Ａｒ）作為輔助氣體切割
如圖３～圖 ６ 所示，需要輸出能量較大。因?yàn)闅鍤猓ǎ粒颍┳鳛槎栊詺怏w，主要起到保護(hù)氣體的作用，但其保護(hù)性能不如氮?dú)猓墼党щy，由于掛渣量太大，實(shí)驗(yàn)中塞尺不易測得數(shù)據(jù)，測得數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確（如圖５曲線所示）。所以即便是能切開，其切縫掛渣太多，后續(xù)工藝處理更加困難。
實(shí)驗(yàn)測得氬氣（Ａｒ）作為輔助氣體能切開（掛渣量大）的工藝參數(shù)為電流１７０Ａ，脈寬１．２ｍｓ，頻率６５Ｈｚ，加工速度３００ｍｍ／ｍｉｎ。
２．２．４ 使用空氣作為輔助氣體切割
如圖３～圖６所示，切縫寬度位于氮?dú)猓ǎ危玻┖脱鯕猓ǎ希玻┲g。因?yàn)榭諝饩羞@兩種氣體，既能起到助燃效果，也能起到保護(hù)氣體的作用，本次實(shí)驗(yàn)使用空氣吹除熔渣效果也是最好的。
實(shí)驗(yàn)測得最佳工藝參數(shù)為：電流 １６０ Ａ，脈 寬１．０ｍｓ，頻率６５Ｈｚ，加工速度３００ｍｍ／ｍｉｎ。綜合以上分析，針對鍍鋅鋼板的激光切割技術(shù)，隨著激光功率密度的增大，切 縫寬度會 相 應(yīng)增大。鍍鋅層在激光切割開始會產(chǎn)生鋅等離子體，吸收激光能量，激光能量太弱，則鋼板不易切開，會在鋼板表面產(chǎn)生大量黑色物質(zhì)，屬于鋅蒸氣冷凝的結(jié)果。取工藝參數(shù)為相同輔助氣壓０．４ ＭＰａ，加工速度 ３００ ｍｍ／ｍｉｎ，電 流 １７０ Ａ，脈 寬 １．０ ｍｓ，頻率６０Ｈｚ，焦相點(diǎn)０．７５ｍｍ，在四種輔助氣體下分別進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)切割圖片金相顯微照片如圖７所示，其中，氬氣因掛渣過多未切開。通過塞尺測量縫寬，測量結(jié)果如表１所示。
圖７ 三種輔助氣體切縫金相顯微對比（ａ）空氣切縫 （ｂ）氮?dú)馇锌p （ｃ）氧氣切縫
表１ 相同工藝參數(shù)下不同輔助氣體的縫寬
由圖７和表１可見，氬氣（Ａｒ）切割質(zhì)量較差，掛渣量太多，導(dǎo)致無法測量切縫寬度，所以氬氣（Ａｒ）不適用于鍍鋅板激光切割的保護(hù)氣體；氧氣（Ｏ２）切縫最寬，切割掛渣量較小；氮?dú)猓ǎ危玻┣锌p最窄，但掛渣量較大；本次鍍鋅板厚度是０．５ｍｍ，屬于薄板切割，所以氧氣切割容易，切縫較寬，因?yàn)檠鯕饩哂兄夹Чm用于厚板切割。本實(shí)驗(yàn)設(shè)備最厚能切割２ｍｍ 的鍍鋅板，而本次針對０．５ ｍｍ 厚鍍鋅板切割實(shí)驗(yàn)，氮?dú)庾鳛檩o助氣體時切縫最窄，空氣切縫寬度適中，掛渣量是四種氣體中最少的，原因是空氣中即有氧氣可以助燃，也具有氮?dú)猓芷鸬奖Ｗo(hù)作用，吹除熔渣效果較好。
３.結(jié)論
激光切割鍍鋅板屬于熱切割的一種，由于鍍鋅層的影響，相對其它鋼板，需要的激光能量較大。相對其他切割方法，激 光切 割對 鍍 鋅層的破壞不大。通過實(shí)驗(yàn)可見如下結(jié)果：
（１）增加激光器電源輸入的電流、脈寬、頻率，以及減小加工速度會增大工件表面的光功率密度，從而增大了激光切割鍍鋅板的縫寬。
（２）氧氣（Ｏ２）切割鍍鋅板，具有助燃效果，切割能力最強(qiáng)，切縫寬度相應(yīng)較大，對于厚板的切割適用。針對實(shí)驗(yàn)所用的機(jī)器，最厚能切２ ｍｍ 厚度的鋼板。
（３）氮?dú)?（Ｎ２）切縫最窄，適用于薄鍍鋅板的切割。
（４）氬氣（Ａｒ）作為輔助氣體，切割需要能量較大，切割掛渣量較多，效果不佳。
（５）空氣作為輔助氣體，其切縫寬度在氧氣（Ｏ２）和氮?dú)猓ǎ危玻╅g，需要能量相對也不大，而且掛渣量是四種輔助氣體中最少的，所以本次實(shí)驗(yàn)，空氣作為鍍鋅板切割的輔助氣體，切割質(zhì)量最好。
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