当前位置:网站首页 > 技术资料 > 这个你都不知道的话,在激光切割行业里迟早被淘汰!激光切割过程的动力学分析

这个你都不知道的话,在激光切割行业里迟早被淘汰!激光切割过程的动力学分析

来源:www.laser08.com 时间:2022-04-28 点击:785
激光切割面的熔体流动动力学的不稳定性导致由于术后横向损失而导致的质量损失。事实证明,高速视频诊断在智能过程分析中非常有用。因此,首次发现切削刃上熔膜的动力学具有几乎与工艺参数无关的频率特性。有趣的是,它们的局部外观与切口边缘的粗糙点较少有关。这一发现表明,要在整个切削深度上实现较小的粗糙度,需要增加固有频率。基于对固有频率源的物理理解,可以确定用于优化激光束和气流参数的可理解规则。
用于宏观加工的高性能激光切割系统主要配备 CO2 激光器和光纤或盘式激光器。可实现的切割质量进一步提高,但在使用光纤或盘式激光器切割厚板时,可实现的切割质量仍低于使用 CO2 激光器实​​现的切割质量。激光切割前的不稳定性会导致切割边缘出现划痕,导致质量差,甚至出现毛刺。激光切割仅指边缘形成机制的某些方面。近年来,Hirano、Fabbro、Ermolaev 等人、Pokorny 等人在融合过程中的高速原位成像和手术过程中的凝固动力学方面做了重要的工作。 Hirano 和 Fabbro 在他们称之为“瓶子”的大部分(直径 > 1.7 毫米)的顶部观察到了一个辅助气体低压(p = 2.5 bar)的熔化平台。
他们使用厚度为 3 mm 的不锈钢样品,发现熔化速度 ≈ 3.2 m / s,峰值速度 ≈ 0.2 m / s。对于 6 mm 不锈钢样品,Ermolaev 等人。 10 m / s 在狭窄的路径上。波科尼等人。描述熔体沉积速率,他们称之为“效应”,对于 10 mm 厚的不锈钢样品,平均熔化速率约为 0.4 m / s,平均熔化速率约为 1, 1 Frk。使用先进的算法,我们测量了浇注砌体表面顶部熔体流动的流动动力学和速度分布。因此,可以看出,熔化电流的主要量达到 ≈15 m / s 的速度。结果表明,具有快速熔波的稳定熔膜有利于获得良好的切割表面质量和低表面粗糙度。
此外,有必要研究切割过程的时空参数及其关系。这项工作的主要目的是研究在切削刃顶部流动的熔体波的频率,并将其与切削速度、焦点和支撑位置变化相关的切削表面划痕模式进行比较。 .胃。
实验装置和测试方法
实验使用波长为 1030 nm、输出功率为 5 kW 的 12 kW 平板激光器进行。 Precitec HPSSL 切割头由光纤 (Ø 200 µm) 引导的激光束居中并聚焦在 100 mm 和 250 mm 之间。这种配置提供了 500 µm 的焦距。
在切割前沿结束时,制作剖面以查看和评估盛行流动动力学,并借助演化部件校正观察方向。高速摄像机 (Photron SA 5) 的范围设置为 64 × 376 像素,能够以 140,000 fps 的帧速率进行录制。使用尼康 200mm 微距镜头实现了 20 / m / 像素的空间分辨率。为了从缺口开始处去除伪影并获得对速度分布的充分统计估计,分析的起点位于缺口开始后 2 毫米处,每个度数使用 5 毫米切片段。
为了评估熔体流动的动力学,开发了一种算法,该算法可在快速视频记录期间检测切削刃上熔融峰的强光照。生成干涉图像,并使用 S. Bergman 编程的“峰值搜索”分析灰度图像在每个切片深度的噪声水平的水平(时间)分布。为此,请将水平扫描条纹设置为每个水平像素线的边缘。
熔化峰和峰的动态与处理随时间的演变和切割深度相关。考虑到由于不同切割速度导致的不同加工时间,熔化峰的数量已随时间标准化。知道每个熔化峰的时间位置,就可以研究熔化峰之间时间间隔的阈值深度或熔化波的频率。
表面粗糙度
在保持焦点位置和增加辅助气压的切削速度(v)的同时,总表面粗糙度降低,其值随切削深度变化很大。最小平均表面粗糙度 (Rz ≈ 20 µm) 较少取决于切削速度,介于切削深度的 1/3 和 1/2 之间。在更大的切削深度处,平均表面粗糙度在所研究的四种切削速度下增加。估计作为焦点位置和辅助气压函数的峰值波高的发展确定了相同的切割深度剖面。从片材的顶部开始,平均表面粗糙度在前三分之一处减小到样品厚度的一半,并在向片材底部增加。对于所研究的所有切削参数,切削深度处的表面粗糙度近似为 S 形。
熔化波的频率
为了管理切割表面顶部熔体波的流动频率,绘制了在不同切割深度研究的所有切割参数。除了分布,还考虑了基于切削深度、上下四分位数和通用频率最大值的模态值。
对于所有检查的切削参数,可以确定切削深度的频率分布特性作为熔化波之间时间间隔的函数。与切削深度 绘制的模态值表明,对于所研究的所有切削参数,板从上到下的 S 形轮廓相对相同。从切割开始到 1/3 和 1/2 之间的深度,熔化波的时间频率的模态值上升,除了少数例外,最高可达 27-33 kHz。频率略微增加到切割深度的大约 2/3,然后再次略微增加,直到达到切割功率。
由于切削深度约为切削深度的 1/3 至 1/2,因此熔体波的立即较小增加似乎有助于降低表面粗糙度。这与之前的观察结果一致,即快速熔化波对于光滑的切割表面边缘很有用。
融合波特征动力学的解释与应用
有趣的是,熔体波频率(即熔体波之间的时间间隔)作为切削深度的函数的分析表明对工艺参数的依赖性很小。可以看出,27-33 kHz 的频率对应于 30-35 μs 的典型融合波范围,这对于所研究的过程参数范围而言是典型的。
我们的解释方法是基于切割刀片中空气或气柱的纵向振动。这个原理可以用人工哨子来解释。在人工哨子中,声音主要是通过将气流引导到锋利的边缘或类似障碍物来产生的。这会产生与谐振腔相互作用的涡流,产生声波,进而产生适当频率的声音。频率取决于空腔的长度和形状,两端是封闭的还是开放的,以及空气或空气柱中的声速。
我们假设熔膜中融合的共振波的形成可能是由于上述波动过程。结果,气流对熔膜的摩擦力局部增加,熔融材料的迁移得到改善,导致局部峰底高度降低。
这种物理理解开辟了提高边缘质量的好方法。我们假设这种排斥效应可能是由于谐振频率的过程参数的调制。因此,有必要在熔池中产生有效的共振波,以显着稳定焊缝金属在整个板厚上的摩擦力。
激光束参数的时间调制,如光束功率和功率密度分布,以及空间光束振荡,是一种自我识别激发共振的方法。另一种可能性是产生已经在凹槽上方以共振频率振荡的气流。为此,可以在喷嘴的几何形状中形成一个特殊的谐振腔,其长度与待切割板的厚度相适应。 
推荐视频/ Recommend videos
相关产品/ Related Products
行业资讯/ Industry information