激光切割工艺试验研究

激光切割工艺试验研究

新汽车的开发主要是对车辆的更新。传统的汽车覆盖物的制成和加工主要采用汽车芯的压板技术，包括落料、拉伸、形状、冲孔、焊接等。其中冲孔模和修边模的模具设计制造周期长、使用寿命短、柔性差、成本高。三维激光切割可以取代传统制造工艺的修边模和冲孔模,其工艺步骤简单、制造周期短、切割尺寸精度高、切口无毛刺、切缝不变形、切割速度快且不受加工形状限制。目前,世界各大汽车公司在开发新车型和小批量车身生产时,均在车身覆盖件的制造工艺中采用三维激光切割技术,大大缩短了新车型的研发周期,且降低了成本,具有良好的经济价值和应用前景。1激光切割转角处对工件的影响分析要保证良好的激光切割质量,必须保证入射激光的光束始终垂直于被加工表面。在三维复杂曲面的激光切割中,转角处切割成为主要难点。在运动过程中的某些特殊位置(如上下坡的转角处),如图1所示,在切割曲线AD段时,当切割头移动到圆弧BC处时,会与工件产生碰撞,只有把切割头偏离一个角度β,才能避免与工件发生碰撞,这时入射激光束不垂直于工件表面,在某些角度较大的转角处会产生过烧现象,严重影响了三维激光切割质量,如图2所示。产生过烧现象的原因是,转角处角度变化较大,使得切割时加速度变化加快,热量又过于集中,散热性较差,从而产生了过烧现象。因此有必要对转角的过烧作深入的试验研究,确保三维激光切割质量。2试验设备和方案2.1主要技术参数本试验采用我国自行集成研制的三维五轴数控切割机床(如图3),板条式激光器(如图4),主要技术参数见表1。试验选用的切割工件为车身侧围当中的一个覆盖件,经拉深模冲压成型,工件材料为深冲压用超低碳钢,表面镀有锌铁合金,钢的牌号为DC53D+ZF。工件厚度为1.5mm,其化学成分见表2。2.2切割面波长测量试验中,切割工艺参数主要选取激光功率、脉冲频率和占空比、切割速度、辅助气体的压力、离焦量和光束入射角;切割质量的评定参数选取切缝宽度、切割面粗糙度、切割面波纹。切缝宽度使用测微尺进行测量,切割面粗糙度使用表面粗糙度仪测量,切割面波纹使用体视显微镜测量。本实验因为试验时选取的切割工艺参数较多,所以在被切工件上设计了多条完全相同的切割轨迹,切割轨迹为空间三维曲线,且每两条切割轨迹相互平行,间隔为10mm,如图5所示。切割时,每条切割轨迹设置不同的工艺参数值。本实验的目的是分别研究不同的入射角和不同的激光型式对三维激光切割质量的影响。因此,在工件表面平坦位置用不同的入射角进行切割试验,入射角从0°、5°、10°一直增加到30°,其它参数保持不变,切割后的工件用切缝宽度、切割面粗糙度及切割面波纹来评定切割质量;在工件的转角处使用连续激光或脉冲激光型式进行切割试验,比较两种激光型式对切割质量的影响,并用切割面粗糙度、切割面波纹来评定切割质量。3试验结果与分析3.1入射角的影响光束入射角增加后会导致反射加大,实际输入工件材料的激光能量减少,用于切割的有效能量越小使切缝变窄,但入射角增大后,同时导致焦点位置发生变化,又使切缝变宽,两者的综合作用决定了最终的切缝宽度。如图6所示,随着入射角从0°增加到20°,切缝宽度变化并不显著,当入射角超过20°时,切割面严重过烧,切缝宽度大大增加,切割质量非常差。光束入射角的变化对切割面粗糙度的影响亦如此,如图7所示,入射角在20°范围内变化时,切割面粗糙度的影响很小,入射角超过20°时,切割面会严重过烧,粗糙度大大增加,切割质量很差。如图8,图9为不同入射角时的切割面波纹图,入射角不同时,只是切割面波纹的倾斜方向发生了变化,但对波纹的宽度没有影响,对切割质量也没有影响。因此在进行三维激光切割时,入射角的变化是有范围限制的,在本文工艺条件下,光束入射角在20°范围内变化时(即存在一个临界角度),对薄板覆盖件的切割质量影响不大,入射角超过临界角度会造成切割面过烧,切割质量会变得很差。在处理转角处的碰撞问题时,入射角大小的调整要在一定的范围内进行,既能避免切割头的碰撞,又能获得较好的切割质量。3.1脉冲激光切割工件转角处分析如图10,当采用连续激光切割工件的转角处时,工艺参数为:激光功率P=800W,切割速度Speed=2500mm/min,辅助气体为O2,辅助气体压力Gaspress=2.5bar,喷嘴直径=2mm,离焦量=-0.3mm,由于转角处热量过于集中,会发生严重的过烧现象,表面质量很差:而采用脉冲激光切割工件的转角处时,工艺参数为:激光功率P=600W,脉冲占空比DutyC=40%,脉冲频率Freq=120Hz,切割速度Speed=1000mm/min,辅助气体为O2,辅助气体压力GasPress=2.5bar,喷嘴直径=2mm,离焦量=-0.3mm,如图11所示虽然切割质量也不是很好,但不会产生图10所示的过烧现象。如图12,当采用连续激光切割工件的平缓处时,基本上不会出现明显的波纹,切割质量较好,而图13所示脉冲激光切割工件的平缓处时,还是存在较多的波纹,切割质量不如采用连续激光切割。通过分析,在切割复杂三维工件时,在转角处应采用脉冲激光,采用较小的占空比较慢的速度来完成转角的切割;在平缓处切割时采用连续激光,采用较大的激光功率,较快的速度来完成,这样既能得到较好的三维切割质量,又能提高切割效率。4入射角的调整本文针对车身覆盖件中典型的三维件进行了切割试验,分别对转角碰撞和转角过烧问题进行了研究,得出了以下结论:(1)在三维激光切割中,在本文所述工艺条件下,入射角在20°范围内变化时,对切缝宽度、切割面粗糙度和切割面波纹的影响不大,但超过20°,切割面会发生过烧,切割质量很差,甚至不能切割,因此在处理转角碰撞问题