基于經(jīng)典力學(xué)試驗的激光加工工程訓(xùn)練模式探索

高黨尋 姚啟明 彭世廣 王龍兵 周冰科 徐江波

摘要：闡述在工程實踐教學(xué)中針對激光加工開展的教學(xué)模式探索。實踐中依托激光加工技術(shù)平臺，開發(fā)突出實踐性、設(shè)計性、研究性和創(chuàng)新性的工程實踐教學(xué)方案，通過實踐，訓(xùn)練學(xué)生的動手能力和實驗分析能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，進(jìn)而提升實踐教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：激光加工;實踐教學(xué);拉伸試驗;工程能力

中圖分類號：TG456.7 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）06-0104-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.20

0 ? ?前言

清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心（以下稱為“ 訓(xùn)練中心 ”）“ 十三五 ”規(guī)劃提出要建設(shè)面向“ 中國制造2025 ”的系統(tǒng)化工程實踐教學(xué)基地，開發(fā)系統(tǒng)化、可操作、體驗度好、靈活性強(qiáng)的實踐教學(xué)內(nèi)容[1]。激光加工應(yīng)用技術(shù)平臺一直是訓(xùn)練中心重點建設(shè)的高效數(shù)字化制造實踐平臺之一（見圖1），借助北京市共建項目、iCenter創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育基地建設(shè)項目的投資，平臺已經(jīng)開始在實踐教學(xué)中發(fā)揮作用。目前，平臺的教學(xué)應(yīng)用還在探索階段，需要加快設(shè)備的技術(shù)應(yīng)用開發(fā)和實踐教學(xué)開發(fā)，增加必要的新方案、新內(nèi)容，進(jìn)而投入到工程訓(xùn)練教學(xué)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中，充分發(fā)揮該教學(xué)平臺的效能。

1 教學(xué)目標(biāo)及課程方案設(shè)計

激光加工技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中早已步入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，近幾年激光加工在焊割產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用增長勢頭強(qiáng)勁[2]。針對現(xiàn)代制造業(yè)的飛速發(fā)展，以及訓(xùn)練中心對實踐教學(xué)提出的新要求，有必要加強(qiáng)學(xué)生在激光加工領(lǐng)域的深層認(rèn)知。通過課程的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生立足一個完整的實驗過程，完成從備料、實驗再到實驗結(jié)果分析的全過程訓(xùn)練模式，對激光加工技術(shù)有較全面的認(rèn)識[3]。通過實踐，增強(qiáng)學(xué)生的動手能力、實驗分析能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

課程設(shè)計流程：通過完成一次連續(xù)的切割—焊接—切割—試樣性能測試—結(jié)論分析5個過程（見圖2），了解激光切割、焊接的基本原理和相關(guān)設(shè)備操作，加深學(xué)生對現(xiàn)代激光加工的理解。同時，在此基礎(chǔ)上探究激光加工工藝參數(shù)對焊接接頭強(qiáng)度等性能的影響。具體內(nèi)容是：對奧氏體不銹鋼板料進(jìn)行激光切割下料，挑選邊緣平滑且較易拼接的，以每兩塊一組在激光焊接平臺上進(jìn)行焊接，焊接后的鋼板按照國標(biāo)要求切割成拉伸試樣，使用多功能拉伸分析儀進(jìn)行拉伸實驗，得到試樣拉伸過程中的試驗力-變形曲線，學(xué)生對其進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析，最終得到各試樣斷裂時的最大載荷、拉伸過程中的彈性模量、上屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等數(shù)據(jù)，最后分析激光加工工藝對焊接接頭性能的影響。

2 教學(xué)內(nèi)容

2.1 材料準(zhǔn)備

使用實驗室大功率激光切割設(shè)備，將厚度為1.5 mm的奧氏體不銹鋼板料切割為45 mm×52.5 mm的試樣毛坯若干個，挑選邊緣較平滑且較易拼接的進(jìn)行丙酮清洗處理。

2.2 試樣坯料焊接

以激光焊接設(shè)備給定的參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，通過調(diào)整焊接過程中的焊接速度、激光功率百分比、Q頻、離焦量、是否吹保護(hù)氣體等參數(shù)進(jìn)行對比實驗，試樣毛坯焊接過程及效果如圖3所示。學(xué)生通常采用的方法是獨立改變激光功率和焊接速度。如激光功率選擇60%、70%、80%，焊接速度選擇5.5 mm/s、6 mm/s、6.5 mm/s，每組重復(fù)進(jìn)行3次。

利用控制變量法，探究單一參數(shù)變化對焊接接頭性能的影響，參數(shù)變化梯度盡可能的密集、均勻。尤其要關(guān)注母材間隙等容易忽略的因素對實驗結(jié)果的影響，避免因考慮不周得出錯誤結(jié)論。

2.3 激光切割標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣

利用大功率激光切割機(jī)加工標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣（見圖4）。由于中段焊縫的焊接過程比較穩(wěn)定，焊接效果最佳，理論上應(yīng)當(dāng)割取試樣的中部，且保證試樣相對焊縫對稱[4]。

2.4 拉伸性能測試

對各試樣使用多功能拉伸分析儀進(jìn)行拉伸實驗，得到試樣拉伸過程中的試驗力-變形曲線，并進(jìn)一步分析，最終得到各試樣斷裂時的最大載荷、拉伸過程中的彈性模量、上屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率等數(shù)據(jù)，如圖5所示。此外，還鼓勵學(xué)生對接頭進(jìn)行磨樣處理，利用金相顯微鏡觀察接頭金相組織，采用微觀組織分析方法研究分析焊接后的試樣。

2.5 實驗分析和結(jié)論

實驗過程中，學(xué)生分別、獨立地改變焊接速度和激光功率等參數(shù)，觀察焊縫成形，測量接頭強(qiáng)度和延伸率，分析激光焊接參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響?；窘Y(jié)論是：要獲得良好的焊接接頭，需要通過試驗不斷尋找合適的激光功率和焊接速度，以及兩者組合。焊接速度越大，焊縫深度越小，熱影響區(qū)越小;激光功率越大，影響則相反。在需要提高效率的場合，可以考慮同時提高激光功率和焊接速度;而出于其他考慮，例如焊接過程的穩(wěn)定，或受限于其他條件，減小焊接速度的同時也應(yīng)適當(dāng)減小激光功率[5]。部分試驗數(shù)據(jù)分析如圖6所示。

同時，實驗過程中也存在誤差，如切割試樣邊緣不平齊，會導(dǎo)致在焊接平臺擺放壓緊后試樣之間無法對齊并留有空隙。以及在焊接平臺上無法放平、焊接儀器的壓緊裝置有些許錯動、儀器的誤差及穩(wěn)定性，都是造成誤差的原因。

此外，按照焊接結(jié)果綜合分析，學(xué)生得出以下獲得高質(zhì)量焊接接頭的工藝方法：焊接前清理焊接部位，包括清理切割造成的不平齊邊緣以及表面的油、水等;適當(dāng)調(diào)整激光功率，不過高、過低，根據(jù)焊接功率適當(dāng)控制離焦量;適當(dāng)調(diào)整激光頻率;焊接速度保持適中，過慢易導(dǎo)致熱影響區(qū)過大，過快則導(dǎo)致母材熔化量略少，不足以填充焊縫等。

3 結(jié)論

通過對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)和流程以及教學(xué)環(huán)境的精心設(shè)計，探索出包含實踐性、設(shè)計性、研究性和創(chuàng)新性的工程實踐教學(xué)方案，有效提升了學(xué)生的動手能力和實驗分析能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神，同時也增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，加深了學(xué)生在激光加工領(lǐng)域的深層認(rèn)知，教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量明顯提高，這種教學(xué)模式受到學(xué)生普遍歡迎和好評。

參考文獻(xiàn)：

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