響應(yīng)面法優(yōu)化304不銹鋼激光切割工藝參數(shù)

陳 博，宮 靜

(1.西安工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，陜西 西安 710600 2.浙江零跑科技股份有限公司，浙江 杭州 310051)

0 引言

不銹鋼材料由于具備良好的物理、力學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于航空、醫(yī)療、化工、船舶等領(lǐng)域。然而，導(dǎo)熱系數(shù)低、彈性模量大等缺點(diǎn)又使得不銹鋼的機(jī)械加工存在著諸多問題[1]。作為典型的光、機(jī)、電一體化技術(shù)，激光切割以高能光束替代傳統(tǒng)刀具，在加工過程中激光器與工件不接觸，無切削力產(chǎn)生，具有工裝簡單、工件變形小、切割質(zhì)量好、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)[2]。

關(guān)于激光切割工藝參數(shù)的優(yōu)化問題，陳宇翔等[3]、趙三軍等[4]、張威等[5]及吳辰[6]分別以GH3128高溫合金、8 mm厚錳鋼、2198鋁鋰合金、TC4鈦合金板材為對(duì)象，研究了不同工藝參數(shù)對(duì)激光切割質(zhì)量指標(biāo)的影響規(guī)律，給出了工藝參數(shù)的最優(yōu)組合。本文作者基于響應(yīng)面法(RSM)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以激光功率、切割速度、離焦量、輔助氣體壓力為自變量，以掛渣量、切縫寬度、表面粗糙度為響應(yīng)目標(biāo)，建立了304不銹鋼激光切割質(zhì)量指標(biāo)預(yù)測(cè)模型，為不銹鋼材料的激光切割工藝參數(shù)優(yōu)化，及質(zhì)量控制積累了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為如圖1所示的ZT-G-1100M型光纖金屬激光切割機(jī)，波長1 064 nm，最大輸出功率1 100 W。輔助氣體為純度99.6%的氮?dú)?。?shí)驗(yàn)材料選用2 mm厚的304不銹鋼薄板。為方便數(shù)據(jù)測(cè)量，將切割樣件設(shè)計(jì)為如圖2所示的尺寸。

圖2 樣件尺寸

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

RSM是優(yōu)化隨機(jī)過程的統(tǒng)計(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。與常見的單因素和正交法相比，RSM考慮了因素間的交互作用，能夠得到精度更高的回歸方程[7]。本實(shí)驗(yàn)采用RSM中的Box-Behnken方法進(jìn)行設(shè)計(jì)[10]，在Design-Expert軟件中選擇激光功率、切割速度、離焦量、輔助氣體壓力作為研究激光切割質(zhì)量指標(biāo)的主要因素，分別以X1，X2，X3，X4表示，每個(gè)因素取3個(gè)水平，并按照(-1， 0， 1)進(jìn)行編碼。以掛渣量、切縫寬度、切割表面粗糙度作為反映激光切割質(zhì)量的響應(yīng)指標(biāo)，分別以Y1,Y2,Y3表示。因素的編碼及水平如表1所示。

表1 因素的編碼及水平

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量

掛渣量Y1的測(cè)量在千分測(cè)厚儀上進(jìn)行。如圖3所示，使用Y0表征板材厚度，先測(cè)出掛渣與板材的總厚度，再減去板材厚度，得到掛渣量Y1。如圖4所示，每個(gè)樣件沿切割外輪廓兩個(gè)長邊均勻選擇10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果取其平均值。

圖3 掛渣量的測(cè)量

圖4 掛渣量測(cè)量點(diǎn)

切縫寬度Y2的測(cè)量借助圖5(a)所示的PARLEC光學(xué)刀具測(cè)量儀完成。由于刀具測(cè)量儀是測(cè)量機(jī)床刀具的專用精密設(shè)備，無法直接裝夾樣件進(jìn)行測(cè)量，故設(shè)計(jì)圖5(b)所示的夾具解決這一問題。如圖5(c)所示，在樣件上表面沿切縫等距選擇9個(gè)測(cè)量點(diǎn)，結(jié)果取其平均值。

(a) PARLEC精密刀具測(cè)量儀

(b) 夾具

(c) 切縫寬度測(cè)量點(diǎn)

圖6為放大70倍后的樣件切割斷面形貌。經(jīng)觀察，可將切割斷面劃分為3個(gè)區(qū)域： 上部區(qū)域?yàn)楸容^平整的緊密型條紋，中部區(qū)域分布著微觀溝槽和裂紋，下部區(qū)域則附著鋸齒形排列的熔渣。

表面粗糙度Y3利用如圖7所示的接觸式表面粗糙度儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量位置選擇在樣件切割斷面最平整的上部區(qū)域。設(shè)取樣長度為10 mm，評(píng)定長度為40 mm，沿樣件兩個(gè)長邊均勻選擇8個(gè)區(qū)間測(cè)量，結(jié)果取其平均值。

圖6 切割表面形貌

4 測(cè)量結(jié)果

按照表1所示的因素編碼及水平，在Design-Expert軟件中生成如表2所示的29組工藝參數(shù)組合。切割實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將測(cè)量數(shù)據(jù)填入表2中。

5 激光切割質(zhì)量指標(biāo)建模

為簡化方程，手動(dòng)剔除對(duì)響應(yīng)指標(biāo)影響不顯著的項(xiàng)。在Design-Expert軟件中對(duì)表2記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以構(gòu)造出3個(gè)二次回歸方程預(yù)測(cè)模型(以編碼值為自變量)：

Y1=0.76+0.51X1+0.13X2-0.078X4

(1)

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)量結(jié)果

(2)

(3)

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

6.1 工藝參數(shù)對(duì)掛渣量的影響

圖8為激光切割工藝參數(shù)對(duì)掛渣量的影響規(guī)律。由圖8可知： 在(-1， 1)水平內(nèi)，掛渣量隨激光功率、切割速度的增加而增大。這是由于功率是激光切割過程的能量來源，功率增加則熔化的金屬量增多，速度增大則激光器在切割位置的停留時(shí)間變短，此時(shí)熔化的金屬來不及被完全吹除便凝固在切縫下表面。伴隨著輔助氣體壓力的增加，輔助氣體吹除熔化金屬的能力變強(qiáng)，掛渣量隨之變小。圖9(a)， 9(b)分別為X3=-1.5 mm，X4=2 MPa，X1=900 W，X3=-1.5 mm時(shí)，功率和速度、速度和壓力的交互作用對(duì)掛渣量的響應(yīng)曲面。由圖9可知： 激光功率對(duì)掛渣量的影響強(qiáng)于切割速度，切割速度對(duì)掛渣量的影響強(qiáng)于輔助氣體壓力。因此，當(dāng)出現(xiàn)掛渣量過多的切割缺陷時(shí)，應(yīng)優(yōu)先減小激光功率和速度，再適當(dāng)增加輔助氣體壓力。

表3 模型的方差分析結(jié)果

圖8 工藝參數(shù)對(duì)掛渣量的影響

6.2 工藝參數(shù)對(duì)切縫寬度的影響

由圖10可知： 在(-1， 1)水平內(nèi)，切縫寬度隨激光功率的增加而增大，隨切割速度的增加而減小。其原因在于功率越大則熔化的金屬量越多，切縫越寬。速度越快則熔化的金屬量越少，切縫越窄。圖11為不同焦點(diǎn)位置對(duì)切縫寬度影響的示意圖。假設(shè)焦點(diǎn)在工件上表面時(shí)的離焦量為0，當(dāng)離焦量從-3 mm到0自下而上變化時(shí)，切縫寬度先減小后增大。這是因?yàn)榻裹c(diǎn)附近的光束最為集中(切縫最細(xì))，上下偏離焦點(diǎn)，切縫寬度都會(huì)增加造成的。圖12為X3=-1.5 mm，X4=2 MPa時(shí)，功率、速度交互作用對(duì)切縫寬度的響應(yīng)曲面。由圖12可知：

(a) 功率與速度的交互作用

(b) 速度與輔助氣體壓力的交互作用

圖10 切割參數(shù)對(duì)切縫寬度的影響

圖11 焦點(diǎn)位置對(duì)切縫寬度的影響

圖12 功率、速度交互作用對(duì)切縫寬度的影響

激光功率對(duì)切縫寬度的影響強(qiáng)于切割速度。因此，要想獲得較小的切縫寬度，應(yīng)優(yōu)先考慮降低激光功率，再適當(dāng)提高切割速度，焦點(diǎn)位置應(yīng)盡量控制在切割板材內(nèi)部。

6.3 工藝參數(shù)對(duì)切割表面粗糙度的影響

由圖13可知，在(-1， 1)水平內(nèi)，表面粗糙度隨激光功率、離焦量的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)楣β屎碗x焦量的變化都會(huì)引起切割位置熱輸入量的改變[8]。當(dāng)熱輸入量由少到多時(shí)，熔化金屬的黏性摩擦力降低，流動(dòng)性增強(qiáng)，表面粗糙度減??；當(dāng)熱輸入量超過一定程度時(shí)，金屬的熔化量大于輔助氣體的吹除量，過燒現(xiàn)象產(chǎn)生，表面粗糙度變大。伴隨著輔助氣體壓力的不斷增大，光束的聚焦作用受到干擾，切割表面粗糙度隨之變小[9]。圖14為X1=900 W，X2=4 m·min-1時(shí)，離焦量、輔助氣體壓力的交互作用對(duì)表面粗糙度的響應(yīng)曲面。由圖14可知： 離焦量對(duì)表面粗糙度的影響強(qiáng)于輔助氣體壓力。因此，當(dāng)切割表面粗糙度較差時(shí)，應(yīng)優(yōu)先確定合理的激光功率和離焦量，再適當(dāng)降低輔助氣體壓力。

圖13 切割參數(shù)對(duì)粗糙度的影響

圖14 離焦量、氣體壓力交互作用對(duì)粗糙度的影響

7 切割工藝參數(shù)優(yōu)化

在Design-Expert軟件中，以掛渣量Y1、切縫寬度Y2、表面粗糙度Y3為最小目標(biāo)，對(duì)304不銹鋼激光切割工藝參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)優(yōu)化。結(jié)果顯示： 當(dāng)X1=779.93 W，X2=2.67 m·min-1，X3=-1.12 mm， X4=1.5 MPa時(shí)，Y1=0.335 mm，Y2=0.215 mm，Y3=14.436 μm，切割質(zhì)量最優(yōu)。

使用預(yù)測(cè)的激光切割工藝參數(shù)對(duì)2 mm厚304不銹鋼板進(jìn)行切割，共進(jìn)行3組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到如表4所示的結(jié)果。發(fā)現(xiàn)測(cè)量值與預(yù)測(cè)值的誤差不超過20%，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。

表4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

8 結(jié)論

(1) 基于Box-Behnken響應(yīng)面法建立的激光切割質(zhì)量指標(biāo)預(yù)測(cè)模型精確度高，能夠有效預(yù)測(cè)2 mm厚304不銹鋼激光切割質(zhì)量指標(biāo)。

(2) 激光功率、切割速度、輔助氣體壓力對(duì)掛渣量的影響顯著；激光功率、切割速度、離焦量對(duì)切縫寬度的影響顯著；激光功率、離焦量、輔助氣體壓力對(duì)表面粗糙度的影響顯著；部分交互項(xiàng)對(duì)切割質(zhì)量指標(biāo)的影響也較為顯著，在優(yōu)化激光切割工藝參數(shù)時(shí)應(yīng)給予考慮。

(3) 以掛渣量、切縫寬度、表面粗糙度最小為目標(biāo)對(duì)激光切割工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了2 mm厚304不銹鋼最優(yōu)激光切割工藝參數(shù)：X1=779.93 W，X2=2.67 m·min-1，X3=-1.12 mm，X4=1.5 MPa，并通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明了預(yù)測(cè)值的準(zhǔn)確性。