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碳钢板激光切割工艺分析及优化

钟毅 栾显晔 李晓宇 薛海峰 李天享 武路鹏

钟毅, 栾显晔, 李晓宇, 薛海峰, 李天享, 武路鹏. 碳钢板激光切割工艺分析及优化[J]. 制造技术与机床, 2024, (2): 38-45. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.02.005
引用本文: 钟毅, 栾显晔, 李晓宇, 薛海峰, 李天享, 武路鹏. 碳钢板激光切割工艺分析及优化[J]. 制造技术与机床, 2024, (2): 38-45. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.02.005
ZHONG Yi, LUAN Xianye, LI Xiaoyu, XUE Haifeng, LI Tianxiang, WU Lupeng. Analysis and optimization of laser cutting process of carbon steel plate[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2024, (2): 38-45. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.02.005
Citation: ZHONG Yi, LUAN Xianye, LI Xiaoyu, XUE Haifeng, LI Tianxiang, WU Lupeng. Analysis and optimization of laser cutting process of carbon steel plate[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2024, (2): 38-45. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.02.005

碳钢板激光切割工艺分析及优化

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2024.02.005
基金项目: 山东省自然科学基金青年项目(ZR2021QE179)
详细信息
    作者简介:

    钟毅,男,1997年生,硕士,主要从事激光切割头设计及激光切割工艺方面的研究。E-mail:237157421@qq.com

    通讯作者:

    武路鹏,男,1989年生,工学博士,副教授,主要从事智能装备设计方面的研究。E-mail:lpwu@qust.edu.cn

  • 中图分类号: TN249,TG485

Analysis and optimization of laser cutting process of carbon steel plate

  • 摘要: 随着科技的不断发展,激光切割技术已经成为现代工业生产中不可或缺的技术之一,碳钢激光切割件加工技术也得到越来越多的应用。随着对加工工件的质量要求越来越高,对激光加工工艺进行优化以获得更高切割质量与切割精度的钢板具有重要意义。为了优化碳钢的激光加工工艺,文章以3 mm碳钢为对象,采用1 500 W激光器系统,研究了激光功率、切割速度、离焦量和辅助气体压力等切割参数对切割质量的影响。选取切缝宽度、表面粗糙度、挂渣高度作为评价切割质量的标准,综合分析工艺参数对切割质量的影响规律并研究了影响机理,同时通过卷积神经网络对数据进行预测分析,并采用带精英策略的非支配排序的遗传算法对工艺参数进行优化,获得辅助气体为氧气条件下激光切割碳钢的最佳工艺参数为P=1 500 W、v=64 mm/s、F=2.6 bar、h=2.9 mm。通过实验发现优化后的切件切割面光滑,无挂渣现象且切缝宽度较小,达到预期标准。

     

  • 图  1  激光切割设备

    图  2  离焦量示意图

    图  3  切割工艺对切缝宽度的影响

    图  4  切割工艺对挂渣高度的影响

    图  5  挂渣类型

    图  6  切割工艺对表面粗糙度的影响

    图  7  工件切面形貌

    图  8  一维卷积网络结构

    图  9  激光切割质量特性实际值与预测值

    图  10  快速非支配排序

    图  11  适应度进程图

    图  12  验证试件宏观图

    图  13  验证试件微观图

    表  1  Q235碳钢成分

    化学元素 C Mn Si S P
    质量分数/(%) 0.15~0.22 0.30~0.65 ≤0.30 ≤0.05 ≤0.04
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    表  2  Q235碳钢物理性质

    对激光
    吸收率
    A/(%)
    导热
    系数λ/
    (W/m·K)
    比热容C/
    (J/kg·K)
    熔点
    Tm/℃
    密度ρ/
    (kg/m3
    泊松比
    μ
    热胀
    系数a/
    (×10−6/K)
    40 47.5 510 1 500 7 800 0.28 12.2
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    表  3  光纤激光切割工艺参数

    工艺参数 数值
    切割速度v/(mm/s) 40 50 55 60 65
    辅助气体压力F/bar 2.2 2.5 3 3.5 4
    离焦量h/mm 2 2.5 2.9 3.1 3.3
    激光功率P/W 1 200 1 300 1 400 1 500
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    表  4  碳钢工艺参数及测量数据

    序号 切割速度
    v/(mm/s)
    辅助气
    体压力
    F/bar
    离焦量
    h/mm
    激光功
    P/W
    切缝宽
    度/μm
    挂渣高
    度/mm
    Ra/μm Rz/μm
    1 40 2.5 2.9 1 500 35 0.1 6.23 22.63
    2 50 2.5 2.9 1 500 28 0 6.03 21.76
    3 55 2.5 2.9 1 500 29 0 6.59 21.59
    4 60 2.5 2.9 1 500 25 0 4.59 17.66
    5 65 2.5 2.9 1 500 23 0.3 3.56 16.53
    6 65 2.5 2.9 1 400 20 0.18 4.232 17.036
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    表  5  帕累托最优解集

    最优解集 v/(mm/s) P/W F/bar h/mm 切缝宽度/μm 挂渣高度/mm
    1 64 1 500 2.6 2.9 23 0
    2 63 1 500 2.5 2.8 21 0.037
    3 65 1 430 2.5 2.6 18 0.073
    下载: 导出CSV
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