平衡閥過流曲線

                    自動流量平衡閥過流曲線激光切割工藝

1引言自動流量平衡閥屬于自力式流量控制閥，利用管路內(nèi)的自身壓力控制內(nèi)部高精度彈簧的變形量，帶動端帽運動來改變總體通流面積，使通過閥門的流量保持動態(tài)恒定，能有效地解決復(fù)雜管網(wǎng)的流量失調(diào)，自動保證管網(wǎng)的安
        1 引言
        自動流量平衡閥屬于自力式流量控制閥，利用管路內(nèi)的自身壓力控制內(nèi)部高精度彈簧的變形量，帶動端帽運動來改變總體通流面積，使通過閥門的流量保持動態(tài)恒定，能有效地解決復(fù)雜管網(wǎng)的流量失調(diào)，自動保證管網(wǎng)的安全運行，廣泛應(yīng)用于建筑、消防、供暖、石油和化工等系統(tǒng)管網(wǎng)。為了保證自動流量平衡閥的控制精度，需盡量提高過流曲線的加工。激光切割技術(shù)具有加工精度高、切縫不變形、切口無毛刺、切割速度快且不受加工形狀限制等優(yōu)點，可以很好地完成對過流曲線的切割。
        影響激光切割質(zhì)量的因素較為復(fù)雜，激光功率、切割速度、焦點位置、光束模式、工件本身特性、輔助氣體種類和壓力是其中7個zui重要的因素。自動流量平衡閥過流曲線激光切割屬于薄壁管材上的空間曲線切割，雖然針對激光平面切割的工藝研究已經(jīng)較為完善，但使用激光切割空間曲線與切割平面曲線不同，空間曲線切割時除了要保證正確的切割軌跡，還要注意選擇合理的加工參數(shù)，尤其是切割薄壁管材時，管材在厚度方向上是一個封閉結(jié)構(gòu)，使得管材的散熱條件較為復(fù)雜，而且壁厚較薄，切割所得的空間曲線易產(chǎn)生熱變形。如何選擇合理的加工參數(shù)以提高其切割質(zhì)量就成為加工時的主要問題。本文以切縫寬度、切口表面粗糙度和熔渣量作為衡量指標，利用Nd：YAG激光器研究輸出電流、掃描速度、焦點位置、輔助氣體種類和壓力對自動流量平衡閥過流曲線切割質(zhì)量的影響，以切割出高質(zhì)量的過流曲線。
        2 實驗方法與設(shè)備
        實驗采用壁厚為1mm，直徑為20mm，材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti的不銹鋼圓管，切割系統(tǒng)如圖1所示。其中工作臺由水平移動軸x軸、y軸和轉(zhuǎn)動軸z軸組成，當進行過流曲線的切割時，由x軸的平移和z軸的轉(zhuǎn)動完成工件相對激光束的移動，按照要求在圓管上切割出過流曲線。實驗設(shè)備采用JHM-1GY-500型多功能激光加工機，波長為1.06Lm，脈沖頻率為1~200Hz連續(xù)可調(diào)，脈沖寬度為0.1~20.0ms連續(xù)可調(diào)，脈沖工作電流為100~450A，激光器輸出的zui大單脈沖能量為90J，切割聚焦鏡焦距為75mm，聚焦后光斑直徑為0.15mm。

圖1 激光切割系統(tǒng)示意圖

        3 實驗結(jié)果與分析
        3.1 輔助氣體種類及壓力對切割質(zhì)量的影響
        激光切割時輔助氣體與激光束同軸由噴嘴噴出，保護透鏡免受污染并吹走激光切割區(qū)域的熔渣，使切割過程持續(xù)順利進行，并有利于提高工件對激光的吸收率。激光切割不銹鋼圓管時若采用氮氣作輔助氣體，切縫窄，切口表面粗糙度小，切口白亮，無燒邊現(xiàn)象，但所需激光功率較高，切割速度明顯降低。若采用氧氣作為輔助氣體，切割時切口區(qū)在高溫下發(fā)生氧化放熱反應(yīng)，使切割過程加速，從而提高了切割能力。另一方面，奧氏體不銹鋼中鉻、鎳等元素使得熔化層氧化不*，與工件之間有較大的黏附力，易在切口的下沿留有熔化殘渣。
        為獲得氧氣壓力對過流曲線切割質(zhì)量的影響，選擇輸出電流為17，脈沖寬度為0.3ms，脈沖頻率為70Hz，掃描速度為40mm/s，焦點位于圓管表面，調(diào)整氧氣壓力進行切割實驗，測量結(jié)果見表1，氧氣壓力對切縫寬度和切口表面粗糙度的影響如圖2所示。另外，實驗中為了更好地反映各因素對切口表面粗糙度的影響，取切割后工件下表面約1/3處的粗糙度值作為評價標準。

表1 氧氣壓力對切割質(zhì)量的影響

圖2 切縫寬度和切口表面粗糙隨氧氣壓力的變化

        從圖2可以看出，切縫寬度隨氧氣壓力的增大而增大，并趨于穩(wěn)定，切口表面粗糙度先減小后增大。這是因為氧氣壓力較低時，熔融材料氧化不*，與工件之間有較大的黏附力，不易*從切口吹除，切口表面粗糙度較大。隨著氧氣壓力的增大，材料氧化放熱反應(yīng)越劇烈，熔融的材料越多，切縫寬度變大，同時熔融材料氧化程度提高，氧氣流速度提高，熔渣排出越*，切口表面粗糙度逐漸降低。隨著氧氣壓力繼續(xù)增大，高的氣流速度對激光作用區(qū)冷卻效應(yīng)增強，使切口區(qū)吸收的有效熱量漸漸恒定，切縫寬度趨于穩(wěn)定，當氧氣壓力超過一定值時，容易在工件表面形成渦流，削弱了氣流去除熔融材料的作用，切口表面粗糙度逐漸增大。
        另外，當輸出電流和掃描速度一定時，適當增加氧氣壓力，可使得切割速度增加，但達到一定數(shù)值后，繼續(xù)增加氧氣壓力除增強氣流對加工區(qū)的冷卻效應(yīng)外，還可能對激光作用區(qū)產(chǎn)生干擾，造成切割前沿擾動層不穩(wěn)定，導致切割速度下降。而且氧氣中的雜質(zhì)也會對切割質(zhì)量造成不良影響，為了獲得良好的切口質(zhì)量，激光切割過程中宜使用適當壓力的高純度氧氣。
        3.2 輸出電流對切割質(zhì)量的影響
        實驗中脈沖寬度為0.3ms，脈沖頻率為70Hz，掃描速度為40mm/s，氧氣壓力為1.0MPa，焦點位于圓管表面，調(diào)整輸出電流進行切割實驗，測量結(jié)果見表2，輸出電流對切縫寬度和切口表面粗糙度的影響如圖3所示。
表2 輸出電流對切割質(zhì)量的影響

圖3 切縫寬度和切口表面粗糙度隨輸出電流的變化

        從圖3可以看出，隨著輸出電流的提高，切縫寬度明顯增大，切口表面粗糙度逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。這是因為輸出電流較小時，激光束提供的能量不足以使材料快速熔化，切縫寬度較小，材料無法*熔化，熔融材料沒有被高速的氧氣*排出，造成部分熔融金屬黏附在切口表面，切口表面粗糙度較大。隨著輸出電流的提高，單位時間內(nèi)熔融的材料更多，切縫寬度增大，材料熔融程度提高，產(chǎn)生的熔渣被高速的氧氣流排出越*，切口表面粗糙度逐漸減小，當輸出電流增大到一定值時，熔渣被*排出，切口表面粗糙度趨于穩(wěn)定。
        輸出電流與掃描速度在很大程度上決定了輸入到工件上的能量，輸出電流即輸出功率一定時，脈沖激光切割存在一個極限速度，當掃描速度大于這個極限值時，將出現(xiàn)無法連續(xù)切斷的現(xiàn)象，切割就變成打孔。在其他條件不變時，增大輸出電流，切割速度范圍也隨之擴大，提高了切割質(zhì)量的穩(wěn)定性和加工效率。
        3.3 掃描速度對切割質(zhì)量的影響
        輸出電流為17，脈沖寬度為0.3ms，脈沖頻率為70Hz，氧氣壓力為1.0MPa，焦點位于圓管表面，調(diào)整掃描速度進行切割實驗，測量結(jié)果見表3，掃描速度對切縫寬度和切口表面粗糙度的影響如圖4所示。

表3 掃描速度對切割質(zhì)量的影響

圖4 切縫寬度和切口表面粗糙度隨掃描速度的變化

        從圖4可以看出，隨著激光掃描速度的增加，切縫寬度隨之減小，但變化不大，切口表面粗糙度先減小后增大。這是因為掃描速度過低時，氧化反應(yīng)放出的熱在切口前沿的作用時間長，切縫寬度大，切口波浪形比較嚴重，切割面比較粗糙。隨著掃描速度的提高，激光束與材料的交互作用時間變短，熱傳導和擴散效應(yīng)變小，切縫寬度減小，切口表面粗糙度減小，隨著掃描速度的持續(xù)增大，切口前沿的熔化速度逐漸跟不上激光束的移動速度，切口出現(xiàn)拖線，切口表面粗糙度增加。
        掃描速度取決于激光功率密度及工件的性質(zhì)等因素，在氧氣壓力和輸出電流等工藝參數(shù)一定的情況下，有*的切割速度范圍。掃描速度過高，切口熔渣量大，切口表面粗糙；掃描速度過低，則工件過燒，切口寬度和材料熱影響區(qū)過大。適當增加輸出電流和氧氣壓力，可以使切割速度范圍擴大。
        3.4 離焦量對切割質(zhì)量的影響
        輸出電流為17，脈沖寬度為0.3ms，脈沖頻率為70Hz，切割速度為40mm/s，氧氣壓力為1.0MPa，調(diào)整焦點位置進行切割實驗，測量結(jié)果見表4，離焦量對切縫寬度和切口表面粗糙度的影響如圖5所示。

表4 離焦量對切割質(zhì)量的影響

圖5 切縫寬度和切口表面粗糙度隨離焦量的變化

        從圖5可以看出，隨著離焦量的增大，切縫寬度先減小后增大，離焦量為-0.3mm時，切縫寬度zui?。磺锌诒砻娲植诙韧瑯酉葴p小后增大，離焦量為零時，切口表面粗糙度zui小。經(jīng)過大量的實驗，切割出圖6所示的高質(zhì)量過流曲線，切縫整齊、光滑，表面粗糙度低，幾乎無熔渣，經(jīng)測試得到切縫寬度為0.19mm，切口表面粗糙度為1.0710Lm。切割工藝參數(shù)：輸出電流為17，脈沖寬度為0.3ms，脈沖頻率為70Hz，掃描速度為40mm/s，氧氣壓力為1.0MPa，離焦量為0。

圖6 采用*工藝參數(shù)切割的過流曲線

        4 結(jié)論
        隨著激光理論和切割工藝研究的逐步深入，機器人和自動控制技術(shù)的發(fā)展，三維激光切割技術(shù)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。實驗結(jié)果表明，采用Nd：YAG激光器切割自動流量時，輸出電流、掃描速度、氧氣壓力和焦點位置直接影響著切割質(zhì)量，通過分析各因素對切割質(zhì)量的影響規(guī)律，選擇合理的工藝參數(shù)可以切割出高質(zhì)量的自動流量。經(jīng)過大量的實驗，得出較為理想的切割工藝參數(shù)：輸出電流為17，脈沖寬度為0.3ms，脈沖頻率為70Hz，掃描速度為40mm/s，氧氣壓力為1.0MPa，離焦量為0。