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激光大佬又來分享干活啦,掌握它可吃十年紅利:激光切割過程的動力學分析

發布:2022-05-10 14:42作者:www.yattendonparish.com點擊:753次

激光大佬又來分享干活啦,掌握它可吃十年紅利:激光切割過程的動力學分析:激光切割面的熔體流動動力學的不穩定性導致由于術后橫向損失而導致的質量損失。事實證明,高速視頻診斷對于有意識的過程分析非常有用。因此,最初觀察到切削刃上熔膜的動力學具有幾乎與工藝參數無關的特征頻率。有趣的是,它們的局部外觀與切割面的不規則區域較少相關。這一發現表明,要在整個切削深度上實現較小的粗糙度,需要增加固有頻率?;趯逃蓄l率起源的物理理解,可以定義可理解的規則來優化激光束和氣流的參數。
用于宏觀加工的高性能激光切割系統除光纖或平板激光器外,主要配備 CO2 激光器??蓪崿F的切割質量不斷提高,但在使用光纖或圓盤激光器切割厚板金屬時,可實現的切割質量仍遠低于 CO2 激光器。激光手術前的不穩定性會導致手術側面出現劃痕,導致質量差,甚至拖尾。激光切割僅指邊緣形成機制的某些方面。近年來,Hirano、Fabbro、Ermolaev 等人、Pokorny 等人。在手術過程中融合和凝固動力學的快速原位成像方面做了重要的工作。 Hirano 和 Fabbro 觀察到輔助氣體(p = 2.5 bar)低壓熔化平臺的大部分(> 1.7 mm 寬),他們稱之為“隆起”。
他們使用 3 mm 厚的不銹鋼樣品,觀察到熔體流動速度 ≈ 3.2 m / s 和尖端速度 ≈ 0.2 m / s。對于 6 mm 不銹鋼樣品,Ermolaev 等人。 10 m / s 在狹窄的路徑上。波科尼等人。他們描述了他們稱之為“影響”的熔體沉積速率,10mm 厚的不銹鋼樣品的平均熔體速率約為 0.4 m / s,平均熔體速率約為 1.1 Frk。使用先進的算法,我們能夠量化澆注砌體表面頂部的熔體波的流動動力學和速度分布。因此,可以看出,融合波的主要數量達到了 ≈15 m / s 的速度。結果表明,具有快速熔波的穩定熔膜有利于獲得良好的切割表面質量和低表面粗糙度。
此外,有必要進一步評估切割過程的時空參數及其關系。這項工作的主要目的是研究熔體波沿切削刃頂部流動的頻率,并將其與切削速度、設置位置焦點和支撐的變化相關的切削表面劃痕模式進行比較。
實驗裝置和評估方法
實驗使用波長為 1030 nm、輸出功率為 5 kW 的 12 kW 圓盤激光器(Trumpf,TruDisk 12002)進行。使用 Precitec HPSSL 切割頭,光纖引導的激光束 (? 200 μm) 分別在 100 mm 和 250 mm 的焦距處居中和聚焦。這種配置提供了 500 μm 的焦距。
為了可視化和分析切割面頭部的流動動力學,制作了截面并在開發零件的幫助下校正了觀察方向。高速相機(Photron SA 5)設置為 64 × 376 像素的范圍,能夠以 140,000 fps 的速度錄制。使用尼康的 200mm 微距鏡頭可實現 20 μm/像素的空間分辨率。為了消除凹槽開始處的偽影并獲得對速度分布的充分統計估計,評估的起點位于凹槽開始后 2 mm 處,每個度數使用 5 mm 切片段。
熔化峰和峰的動態與處理隨時間的演變和切割深度相關??紤]到由于不同切割速度導致的不同加工時間,熔化峰的數量已隨時間標準化。通過了解每個熔化峰的時間位置,您可以分析熔化峰之間時間間隔的閾值深度或熔化波的頻率。
表面粗糙度
在保持焦點位置和輔助氣壓的同時,切削速度 (v) 的增加導致表面粗糙度的整體下降,其值隨切削深度的變化而變化很大。最小平均表面粗糙度 (Rz ≈ 20 μm) 較少取決于切削速度,介于切削深度的 1/3 和 1/2 之間。在更大的切削深度,平均表面粗糙度在所研究的四種切削速度下增加。分析作為焦點位置和輔助氣壓函數的峰值波高的發展確定了相同的切割深度剖面。從板的頂部開始,平均表面粗糙度在樣品厚度的前三分之一到一半降低,向板的底部增加。切削深度處的表面粗糙度近似為 S 形,所有切削參數均已研究。
熔化波的頻率
為了管理切割表面頂部的熔體波的流動頻率,對在不同切割深度研究的所有切割參數進行了映射。除了分布,還考慮模態值,取決于切削深度、上下四分位數和一般頻率最大值。
對于所有檢查的切割參數,可以確定切割深度的特定頻率分布作為熔體波之間時間間隔的函數。與切削深度 繪制的模態值表明,對于所研究的所有切削參數,板的 S 形輪廓從上到下都是相對相同的。從 1/3 到 1/2 深度的切割開始,熔化波的時頻模態值上升到最大值 27 到 33 kHz,但有一些例外。然后頻率略微增加至切割深度的大約 2/3,并部分再次增加,直到達到切割功率。
由于在切削深度的大約 1/3 到 1/2 的切削深度范圍內,瞬時熔體波的較小色調似乎有助于降低表面粗糙度。這與之前的發現一致,即快速熔化波可用于光滑的側切表面。
熔融波特征動力學的解釋與應用
有趣的是,作為切削深度函數的熔體波頻率(即熔體波之間的時間間隔)的分析表明,對工藝參數的依賴性很小??梢钥闯?,對于所研究的工藝參數范圍,27-33 kHz 的頻率對應于 30-35 μs 的典型熔化波時間間隔。
我們的解釋方法是基于切割刀片中空氣或氣柱的縱向振動。這個原理可以用人工哨子來解釋。在人工哨子中,聲音是通過將氣流引導到鋒利的邊緣或類似障礙物上來產生的。這會產生與諧振腔相互作用的渦流,產生聲波,進而產生適當頻率的聲音。頻率取決于空腔的長度和形狀,兩端是封閉的還是開放的,以及空氣或空氣柱中的聲速。
我們假設熔融膜上融合共振波的形成可能是由于上述波動過程。結果,氣流對熔膜的摩擦力局部增加,熔融材料的遷移得到改善,導致峰底的局部高度降低。
這種物理理解為提高邊緣質量開辟了一條有希望的途徑。我們假設這種嘶嘶聲效應可能是由于工藝參數在諧振頻率下的調制。因此,有必要在焊縫金屬中產生有效的共振波,以顯著穩定焊縫金屬在整個板厚上的摩擦力。
激光束參數的時間調制,如光束功率和功率密度分布,以及空間光束振蕩,是一種自我識別激發共振的方法。另一種可能性是產生已經在凹槽上方以共振頻率振蕩的氣流。為此,可以在噴嘴的幾何形狀中形成一個特殊的諧振腔,其長度與待切割板的厚度相適應。
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