机器人光纤激光切割系统切割碳钢工艺研究

摘要

近几年中,光纤激光对材料的加工经历飞速发展。由于光纤激光能够提供高质量且易被金属材料吸收的短波长光束,光纤激光器冲击了对切割领域占有主要市场的C02激光。然而,光纤激光切割是一种新型的工业应用,工艺特性及应用还有待研究。
　　 本论文结合热力学理论,建立数学模型分析碳钢对CO2激光和光纤激光的吸收率；将光纤激光器、光纤切割头、机器人、PLC、松下伺服电机、水冷系统、工装夹具等组成机器人光纤切割系统,该系统运用PLC控制松下伺服电机,使切割头喷嘴在切割过程中始终与切割金属保持所设置的高度,机器人控制光纤激光器发射连续与脉冲激光；以机器人光纤激光切割系统切割1mm至16mm碳钢为试验,研究了工艺参数变化对切缝宽度及粗糙度的影响,同时,比较了CO2激光切割碳钢的效率与切割的端面质量,分析了光纤激光切割中条纹、溶渣产生的机理。结果表明:
　　 (1)数学模型与试验都证明在碳钢的切割中,薄板对大功率光纤激光吸收率比CO2激光的吸收率好,中厚板对光纤激光的吸收率比CO2激光的吸收率要低。所以,薄板的切割中,光纤激光比CO2激光切割的速度要快,效率要高,光洁度要好；中厚板切割中,光纤激光的切割速度比不上CO2激光,且切割中易产生条纹。
　　 (2)三组焦距切缝宽度试验中,用125mm的光纤聚焦镜切割时,切缝宽度随离焦的变化而变化最大,250mm的聚焦镜最小。切缝宽度随功率的增大而增大,速度的增大而减小,随气压的变化而表现平缓。
　　 (3)碳钢粗糙度试验中,比较了光纤激光与CO2激光随着功率,气压,速度,切割端面粗糙度的变化趋势,并分析常见切割中条纹,溶渣产生的因为,提出了改进切割质量的方案。
　　 (4)切割碳钢厚度的试验中,分4个档次500W、1000W、1500W、2000W比较光纤激光与CO2激光分别能切割碳钢的最大厚度,光纤激光与CO2激光切割在厚度方面相差不大。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景和课题来源

1.2 激光切割技术的现状

1.2.1 国外现状

1.2.2 国内现状

1.3 机器人光纤激光切割研究的现状

1.3.1 光纤激光工艺应用研究现状

1.3.2 机器人激光切割系统研究现状

1.4 本文的研究内容

第二章 激光切割理论及吸收率模型

2.1 激光切割的原理

2.2 光束质量参数对切割的影响

2.2.1 光束的波长

2.2.2 光束的能量,功率密度与光斑大小

2.2.3 激光的偏振

2.2.4 激光的模式

2.2.5 光束的BPP

2.3 碳钢对光纤激光和CO2激光的吸收率数学模型

2.3.1 工艺模型

2.3.2 激光能量在碳钢上的吸收

2.3.3 切割前端面的倾斜角及与平均效率密度

2.4 本章小结

第三章 机器人光纤激光切割系统

3.1 机器人光纤激光切割系统的组成

3.1.1 高功率光纤激光器

3.1.2 机器人

3.1.3 光纤激光切割头

3.1.4 辅助部件

3.2 系统设计

3.2.1 光纤切割头随动系统

3.2.2 水冷系统设计

3.2.3 气路设计

3.3 本章小结

第四章 机器人光纤激光切割系统切割碳钢的试验

4.1 试验条件

4.1.1 设备条件

4.1.2 切割材料

4.1.3 夹具

4.2 试验方案的建立

4.2.1 切缝宽度试验的方案

4.2.2 碳钢切割端面质量与效率的试验方案

4.2.3 大功率光纤激光器切割碳钢的厚度试验方案

4.3 本章小节

第五章 试验结论与分析

5.1 切缝宽度的试验结论与分析

5.1.1 三组焦距中不同离焦量对宽度的影响

5.1.2 功率对切缝宽度的影响

5.1.3 切割速度对切缝宽度的影响

5.1.4 气压对切缝宽度的影响

5.1.5 大功率光纤激光器与CO2激光器宽度的比较

5.2 切割面粗糙度试验及分析

5.2.1 光纤激光与CO2激光切割碳钢的测量结果

5.2.2 结论分析

5.3 大功率光纤激光与CO2激光切割碳钢最大厚度实验

5.3.1 光纤激光与CO2激光切割碳钢的最大厚度的结果

5.3.2 结论分析

5.4 光纤激光切割的问题分析

5.4.1 光纤激光切割的条纹

5.4.2 溶渣的产生

5.5 本章小结

第六章 展望与总结

6.1 总结

6.2 研究展望

附录 A:切割头随动控制程序

附录 B:ABB机器人切割碳钢程序设计

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文