隨著造船業(yè)、重型機械、大型壓力容器、大型橋梁、核工業(yè)和軍工領域的快速發(fā)展,中厚板激光切割技術的需求越來越多。通常隨著鋼板厚度增大,激光切割面條紋變粗、背面粘渣和側向燃燒現(xiàn)象也越發(fā)嚴重。當激光切割25mm以上的中厚鋼板時,切割速度顯著下降,切縫的可重復性也不佳。因此有必要對中厚鋼板激光切割特性及其氧鐵燃燒放熱反應機理進行深入的研究,探索影響切割效率的本質因素,為提高切割質量、優(yōu)化激光切割工藝、開發(fā)新型切割方法等提供理論依據(jù)。本文首先建立了大氣環(huán)境激光中厚板切割試驗研究系統(tǒng),自主研制了適用于大氣環(huán)境的中厚板切割專用長焦激光切割槍,并搭建了高速攝像系統(tǒng)和發(fā)射光譜觀測系統(tǒng)對切割過程的各物理特征進行高速捕獲。試驗以30mm及以上厚度的低碳鋼材料為研究對象,系統(tǒng)研究了各工藝參數(shù)對切割質量與切縫形貌的影響規(guī)律,在切割速度為0.5m/min-0.8m/min區(qū)域內(nèi)獲得了背面無粘渣的優(yōu)良切縫,30mm厚鋼板的極限切透速度可達1.2m/min。國外類似研究結果為激光切割32mm鋼板時,切割速度僅僅為0.25m/min。針對中厚鋼板激光切割背面易粘渣的問題,自主設計一種鋼板背面除渣涂層,有效解決了碳鋼板激光切割的粘渣難題,大幅度增加了厚鋼板激光優(yōu)質切割的工藝窗口。試驗發(fā)現(xiàn)中厚鋼板激光切割具有窄縫切割模式和寬縫切割模式兩種典型的切割模式。氧氣壓力、激光離焦量對切割模式的轉變有重要影響,當切割氧氣壓力高于0.20MPa時,呈現(xiàn)的都是寬縫切割模式;切割氧氣壓力較小時,且激光光斑尺寸較小時,會呈現(xiàn)窄縫切割模式�；诟咚贁z像圖像傳感技術,詳細分析了激光切割過程中“窄縫切割模式”與“寬縫切割模式”切縫中液態(tài)高溫區(qū)的動態(tài)行為,發(fā)現(xiàn)中厚鋼板激光切割的切縫中存在激光直接照射的高溫氧鐵劇烈燃燒反應區(qū)“高亮區(qū)”、無激光照射的低溫氧鐵燃燒反應區(qū)“低亮區(qū)”和無激光照射與氧鐵燃燒反應區(qū)“黑區(qū)”,并結合三種區(qū)域的動態(tài)行為特征分析了厚板激光切割兩種典型切割模式的傳熱機理。通過高速攝像傳感分析了窄縫-寬縫的轉換過程,發(fā)現(xiàn)氧氣壓力對其影響較大。試驗測量了大功率激光高速切割中厚鋼板過程中單位摩爾鐵發(fā)生氧鐵反應的放熱量,該值小于常規(guī)薄板激光切割所需的熱量,說明高功率激光、高速度切割厚鋼板的切割工藝具有更高的熱效率、更低的熱量損失�；诩す馇懈钸^程中氧分子將被激發(fā)和離解的觀點,本文深入研究了激光切割過程中氧鐵燃燒反應的本質。通過光譜儀分析了切縫高溫區(qū)域的發(fā)射光譜,發(fā)現(xiàn)切縫中激光直接照射的液態(tài)高溫區(qū)覆蓋著由激光誘導產(chǎn)生的等離子體,在激光誘導等離子體與氧分子的劇烈碰撞作用下出現(xiàn)大量氧原子和+1價氧原子離子這些高能級氧元素粒子。這說明激光切割鋼板過程中,切縫中在激光等離子體中的氧分子將會被激發(fā)和離解生成氧原子和氧原子離子,也就是說參與氧鐵燃燒反應過程的不僅僅是氧分子,還包括氧原子和氧原子離子等高能級氧元素粒子。通過質譜儀模擬實驗和相關的理論分析進一步研究了氧分子被激發(fā)和離解的原因,結果發(fā)現(xiàn)激光切割起始引燃階段主要依靠激光等離子體的作用激發(fā)和離解氧分子;而在激光穩(wěn)定切割過程中,除了激光誘導的等離子體的關鍵作用,切縫中激光誘導等離子體產(chǎn)生的高能級氧元素粒子與鐵劇烈燃燒反應產(chǎn)生的高溫環(huán)境也有助于氧分子的激發(fā)和離解。理論分析了高能級氧元素粒子對氧鐵反應過程的影響主要集中在三方面:1)與基態(tài)氧分子相比,高能級氧元素粒子與Fe原子反應過程產(chǎn)生更多的熱量;2)與基態(tài)氧分子相比,高能級氧元素粒子在氧鐵化學反應過程需要克服的能量壁壘較小,反應過程更容易進行,大幅度降低氧鐵燃燒反應的引燃溫度;3)與基態(tài)氧分子相比,激發(fā)態(tài)氧元素粒子的存在將大幅度加快氧鐵燃燒反應速度,相同時間內(nèi)能夠讓更多的鐵參與反應,提高切割速度。根據(jù)高能級氧元素粒子能夠提高切割效率原理,提出了一種激光-火焰復合切割新方法,依靠火焰在切縫中建立高溫通道、維持金屬等離子體動態(tài)穩(wěn)定性,使得切割效率比常規(guī)激光切割效率提高很多。在6000W激光功率下,實現(xiàn)了140mm厚鋼板的高速穩(wěn)定切割,超越國外同類技術水平。針對中厚鋼板激光氧氣切割的特點,提出一種新的觀點,即激光切割過程中激光誘導等離子體對中厚板激光氧氣切割過程具有非常重要作用,不可忽視。這點與激光焊接以及激光薄板切割不同,它們?yōu)榱颂岣呓饘賹す獾奈章识仨毐M可能避免或者排除等離子體的影響。本文提出的新觀點有待今后更深入地探討。
【學位單位】：機械科學研究總院
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TG485

【參考文獻】

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1 張穎;;吉布斯自由能的多功能性質探討[J];大學化學;2011年02期

本文編號：2818174