本文研究發(fā)現(xiàn),基于對(duì)特征頻率來源的物理理解,可以確定優(yōu)化激光束和氣流參數(shù)的可理解規(guī)則。
激光切割前沿熔體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)的不穩(wěn)定性導(dǎo)致質(zhì)量損失,這是由于在切割后的側(cè)面形成條紋。事實(shí)證明,高速視頻診斷的應(yīng)用對(duì)于有充分依據(jù)的過程分析非常有指導(dǎo)意義。通過這種方式,首次發(fā)現(xiàn)切割前沿的熔融膜動(dòng)力學(xué)揭示了幾乎與工藝參數(shù)無關(guān)的特征頻率。有趣的是,它們的局部外觀與由此產(chǎn)生的切割側(cè)面上粗糙度最低的區(qū)域相關(guān)。這一觀察結(jié)果表明,為了在整個(gè)切割深度上獲得較低的粗糙度,應(yīng)放大特征頻率?;趯?duì)特征頻率來源的物理理解,可以確定優(yōu)化激光束和氣流參數(shù)的可理解規(guī)則。
用于宏加工的高性能激光切割系統(tǒng)主要配備CO2激光器和光纖或磁盤激光器??蓪?shí)現(xiàn)的切割質(zhì)量在不斷提高,但在使用光纖或圓盤激光器切割厚板時(shí),可實(shí)現(xiàn)的切割質(zhì)量仍然顯著低于使用CO2激光器的切割質(zhì)量。激光切割前的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致切割后的側(cè)面產(chǎn)生條紋,從而造成質(zhì)量損失,甚至?xí)?dǎo)致毛刺的形成。在激光切割過程中,只了解條紋產(chǎn)生機(jī)制的個(gè)別方面。近年來,Hirano、Fabbro、Ermolaev等人和Pocorni等人在切割過程中熔化和凝固動(dòng)力學(xué)的原位高速可視化方面開展了重要的工作。Hirano和Fabbro觀察到在低輔助氣體壓力(p=2.5 bar)下寬切口(寬度>1.7毫米)上部區(qū)域形成的熔化平臺(tái),他們稱之為“駝峰”。
他們使用了3毫米厚的不銹鋼樣品,并測(cè)定了熔液流動(dòng)速度≈3.2 m/s和峰速度≈0.2 m/s。對(duì)于6mm厚的不銹鋼樣品,Ermolaev等人報(bào)道了沿著狹窄軌道的熔體傳輸速度高達(dá)10m/s。Pocorni等人描述了熔體堆積的速度,他們稱之為“凸起”,對(duì)于10 mm厚的不銹鋼樣品,熔體堆積的平均速度為≈0.4 m/s,熔體流動(dòng)的平均速度為≈1.1 m/s。通過現(xiàn)場(chǎng)高速記錄和先進(jìn)的算法,我們能夠定量地評(píng)價(jià)熔體流動(dòng)動(dòng)力學(xué)和熔體波在熔體堆積的切割前沿頂點(diǎn)上的速度分布。用這種方法可以表明,熔融波的主要數(shù)量達(dá)到≈15 m/s的速度。結(jié)果表明,具有快速熔體波的穩(wěn)定熔體膜有利于在低表面粗糙度的情況下獲得良好的切割面質(zhì)量。
此外,進(jìn)一步評(píng)估切削過程的時(shí)空特征變量及其相關(guān)性是必要的。這項(xiàng)工作的主要目的是研究熔體波沿切割前緣頂端向下滑動(dòng)的頻率,并將其與切割面上的條紋模式聯(lián)系起來,這與切割速度、焦點(diǎn)位置以及輔助氣體壓力的變化有關(guān)。
實(shí)驗(yàn)裝置和評(píng)估方法
實(shí)驗(yàn)使用12千瓦的圓盤激光器(Trumpf,TruDisk 12002)進(jìn)行,波長(zhǎng)為1030nm,輸出功率為5千瓦。使用Precitec HPSSL切割頭,將光纖(?200μm)引導(dǎo)的激光束集中并聚焦,焦距分別為100 mm和250 mm。這種配置提供了500μm的焦距。
為了可視化和分析切割前端頂點(diǎn)處的熔體流動(dòng)動(dòng)力學(xué),進(jìn)行了切割,并通過不斷演變的切割切口對(duì)準(zhǔn)觀察方向(圖1a)。高速攝像機(jī)(Photron SA 5)的區(qū)域設(shè)置為64×376 px,以便于記錄每秒14萬幀的幀速率。通過使用尼康200mm微距鏡頭,實(shí)現(xiàn)了20μm/px的空間分辨率。為了從切割開始時(shí)消除偽影,并確保對(duì)速度分布進(jìn)行充分的統(tǒng)計(jì)評(píng)估,將評(píng)估開始點(diǎn)放置在切割開始后2 mm處,每次評(píng)估使用5 mm的切割段。
圖1切口原位診斷裝置原理(a);條紋圖像處理原理(b)。(來源:Fh.ILT)
為了評(píng)估熔體流動(dòng)動(dòng)力學(xué),開發(fā)了一種算法來檢測(cè)高速視頻記錄中切割前沿出現(xiàn)的明亮發(fā)光的熔體波峰。生成條紋圖像(圖1b),并使用S.Bergman編程的“峰值查找器”分析每個(gè)切割深度中條紋圖像灰度值的水平(時(shí)間)分布。為此,在條紋圖像的每一條水平像素線上放置水平分析條(圖2)。
圖2切割深度相關(guān)的熔融波識(shí)別程序原理,切割深度為2mm,可選擇40幀。(來源:Fh.ILT)
峰值和熔體波峰的動(dòng)力學(xué)與加工的時(shí)間發(fā)展和切削深度有關(guān)。為了考慮由于切割速度不同而產(chǎn)生的不同加工持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度,熔體波峰的數(shù)量隨時(shí)間進(jìn)行歸一化。通過了解每個(gè)熔體波峰的時(shí)間相關(guān)位置,可以對(duì)熔體波峰或熔體波頻率之間的時(shí)間距離進(jìn)行切割深度相關(guān)分析。
表面粗糙度
在保持焦點(diǎn)位置和輔助氣體壓力的同時(shí),增加切割速度(v)會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度的整體降低,從而降低的程度隨切割深度而變化很大(圖3,中間)。最低平均表面粗糙度(Rz≈ 20μm),對(duì)切割速度的依賴性最低,約為切割深度的1/3至1/2。在更大的切削深度下,所有四種檢查切削速度的平均表面粗糙度都會(huì)增加。分析粗糙度深度隨焦點(diǎn)位置和輔助氣體壓力的變化,得出切割深度上的類似輪廓(圖3a和3c)。從板材的上邊緣開始,平均表面粗糙度降低至試樣厚度的前三分之一至一半,并增加至板材的下邊緣。對(duì)于所有研究的切削參數(shù),切削深度上的表面粗糙度大致為S形(圖3)。
圖3不同焦點(diǎn)位置z(左)、切割速度v(中)和輔助氣體壓力p(右)的平均表面粗糙度測(cè)量值。(來源:Fh.ILT)
熔融波頻率
為了討論切割前端頂點(diǎn)處向下滑動(dòng)的熔體波的頻率,繪制了所有研究切割參數(shù)在不同切割深度上的發(fā)生率(圖4)。除分布外,還標(biāo)記了切削深度依賴的模態(tài)值、上下四分位數(shù)和發(fā)生頻率的全局最大值。
圖4不同切削參數(shù)下熔體波頻率(fmw)的切削深度相關(guān)分析。(來源:Fh.ILT)
對(duì)于所有研究的切割參數(shù),可以確定切割深度依賴于熔體波時(shí)間距離的特征頻率分布(圖4)。在切割深度上繪制的模態(tài)值(圖4;白線)顯示,對(duì)于所有調(diào)查的切割參數(shù),從板材頂部到底部的S形輪廓相對(duì)相似。從切口進(jìn)入到切割深度的1/3到1/2,時(shí)間熔化波頻率的模態(tài)值增加到27–33 kHz的最高值,只有少數(shù)例外。然后,頻率略微降低至切割深度的2/3左右,并再次部分增加,直到達(dá)到切口出口。
由于可在約為切割深度1/3至1/2的切割深度內(nèi)確定切割側(cè)面的最高瞬時(shí)熔化波頻率和最小表面粗糙度,因此較小的瞬時(shí)熔化波距離似乎有利于降低表面粗糙度。這與早期的觀察結(jié)果一致,即快速熔化波有利于實(shí)現(xiàn)平滑切割的側(cè)面。
特征熔體波動(dòng)力學(xué)的解釋與應(yīng)用
有趣的是,對(duì)熔體波頻率(即熔體波之間的時(shí)間距離)的切削深度相關(guān)分析只揭示了對(duì)工藝參數(shù)的低依賴性。顯然,27–33 kHz的頻率對(duì)應(yīng)于30–35μs之間的熔融波時(shí)間間隔,是所研究工藝參數(shù)場(chǎng)的特征。
我們的解釋方法基于切割切口中空氣或氣柱的縱向振動(dòng)(圖5c)。這個(gè)原理可以用人工哨聲來解釋。在人工哨聲中,聲音基本上是通過將氣流穿過銳邊或類似障礙物而產(chǎn)生的(圖5a,b)。通過這種方式,產(chǎn)生漩渦,與共振室相互作用,產(chǎn)生聲波,從而產(chǎn)生相應(yīng)頻率的音調(diào)。頻率取決于共振室的長(zhǎng)度和形狀、兩端是閉合的還是打開的特性以及空氣或氣柱中的聲速。
圖5縱向振蕩的原理,即空氣或氣體柱在封閉的(a)或開放的人工口哨(b)和切割切縫(c)中的駐波。(來源:Fh. ILT)
我們假設(shè),作為上述哨聲方法的一個(gè)序列,可以在熔體膜上誘導(dǎo)共振熔體波的形成。因此,熔體膜上氣流的摩擦力局部增加,熔體傳輸?shù)玫礁纳?,?dǎo)致局部粗糙度深度減小。
這種物理理解揭示了一種有希望的方法來提高切割側(cè)面的質(zhì)量。我們假設(shè),通過共振頻率調(diào)制工藝參數(shù),可以刺激這種哨聲效應(yīng)。以這種方式,應(yīng)誘導(dǎo)形成高效的共振熔體波,從而顯著穩(wěn)定整個(gè)板材厚度上熔體上的摩擦力。
激光束參數(shù)的時(shí)間調(diào)制,如光束功率和功率密度分布,以及光束的空間振蕩,是激發(fā)諧振的自識(shí)別方法。另一種可能性是產(chǎn)生已經(jīng)在切口上方共振頻率下振蕩的氣流。為此,可以在噴嘴幾何結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)一種特殊的諧振腔,其長(zhǎng)度與待切割板材的厚度相適應(yīng)。
結(jié)論與展望
本文提出的分析切割前沿頂點(diǎn)上向下滑動(dòng)的熔體波頻率的方法,以及對(duì)結(jié)果的物理解釋允許以下陳述:
1,較小的時(shí)間熔體波間距或較高的熔體波頻率有利于獲得較低的表面粗糙度。
2,對(duì)于所研究的工藝參數(shù)場(chǎng),可以找到27–33kHz的特征熔體波頻率。
3,根據(jù)人工哨聲原理,特征頻率可以用切口中振蕩氣體柱的共振頻率來解釋,該共振頻率是薄板厚度和聲速的函數(shù)。
4,假設(shè)氣柱的共振波頻率被傳輸?shù)饺廴谀?,從而?dǎo)致切割側(cè)面的粗糙度較低。
5,研究結(jié)果為減少切削后刀面粗糙度深度的優(yōu)化策略的制定提供了新的依據(jù)。我們假設(shè),通過用工藝固有共振頻率調(diào)制工藝參數(shù),可以產(chǎn)生最光滑的切割側(cè)面,從而使熔體從切口中有效噴射。
來源:Photonics Views - 2020 - Arntz‐Schroeder -Analyzing the Dynamics of the Laser Beam Cutting Process,DOI:10.1002/phvs.202000015
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