柳 召， 陳建剛,2*， 舒林森,3， 石淑婷

(1.陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 西安 710049；3.陜西省工業(yè)自動化重點實驗室， 陜西 漢中 723000)

304不銹鋼材料具有良好的低溫強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐熱性以及無磁性等優(yōu)良特性，其板材大量應(yīng)用于航空航天、石油化工、海洋化工、醫(yī)療器械以及家用耐用品等領(lǐng)域[1-4]。相較于傳統(tǒng)的材料切割技術(shù)，激光切割具有切割范圍廣、切割效率高、切縫窄、無接觸加工及綠色環(huán)保等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)鋼板的分離制造中[5-8]。

激光切割的斷面質(zhì)量主要由切割裝置的工藝參數(shù)決定，工藝參數(shù)選擇不當(dāng)容易出現(xiàn)切割件局部未分離、熔渣流存儲在切縫下表面形成刮渣以及切割斷面粗糙等缺陷，因此選擇合適的工藝參數(shù)及其重要[9-10]。陳聰?shù)萚11]研究了激光功率、保護(hù)氣壓及切割速度等主要工藝參數(shù)對不同厚度的鋁合金材料切割質(zhì)量的影響規(guī)律，通過回歸分析等數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并獲得了最優(yōu)工藝參數(shù)組。王威等[12]通過模擬水下環(huán)境進(jìn)行不銹鋼切割試驗，發(fā)現(xiàn)氧氣壓力增大，斷面反而更光潔，這與在空氣中切割板材不同。何帆等[13]運用正交試驗研究了主要切割參數(shù)對切縫寬度和刮渣高度的影響，發(fā)現(xiàn)激光功率和切割速度對切縫質(zhì)量的影響效果更顯著。SON[14]、NENAD[15]及DENNIS[16]等研究了激光參數(shù)對SS41和SUS304材料加工的影響規(guī)律，并采用方差分析(ANOVA)和多元回歸分析進(jìn)行評估，通過多元回歸分析，較好地預(yù)測了切口頂部、切口底部、熔化寬度和熱影響區(qū)受激光參數(shù)的影響,并發(fā)現(xiàn)激光參數(shù)對材料的影響是由方差分析的貢獻(xiàn)率決定的。綜上，目前對于不銹鋼材料的研究大多集中在切縫寬度及粗糙度，對切割斷面質(zhì)量及工藝優(yōu)化問題有待深入研究。

本文采用3 kW光纖激光器進(jìn)行304不銹鋼板切割試驗，通過正交試驗極差與方差分析方法，探究各工藝參數(shù)分別對刮渣高度和切面傾斜區(qū)占比影響的主次關(guān)系及各自對應(yīng)的工藝數(shù)值。利用望小信噪比法對刮渣高度及傾斜區(qū)占比進(jìn)行綜合優(yōu)化，并進(jìn)行試驗驗證。

1 試驗

1.1 設(shè)備與材料

試驗所用激光器為鼎點公司光纖激光器，激光設(shè)備參數(shù)：產(chǎn)品型號YN-CFB1320-2000，最大輸出激光功率3300 W。如圖1(a)所示為激光切割系統(tǒng)示意圖，圖1(b)所示為激光切割頭。

試驗材料為3 mm厚304不銹鋼板，其化學(xué)成分見表1。

表1 304不銹鋼的化學(xué)成分

1.2 方法

通過正交設(shè)計助手軟件選取四因素三水平的正交表安排試驗，如表2所示。設(shè)置其他切割參數(shù)：上抬高度10 mm、脈沖頻率3000 Hz、停留時間1.5 s、保護(hù)氣為純度99.5%的氮氣、占空比100%。試驗所用噴嘴為直徑1.5 mm的單噴，噴嘴至工件距離為5 mm。

表2 試驗安排表

2 試驗結(jié)果與優(yōu)化

2.1 試驗結(jié)果

在超景深顯微鏡下對每個試件分別測量3組刮渣高度(H)及切口表面傾斜區(qū)數(shù)據(jù)并記錄，計算切口表面傾斜條紋區(qū)寬度所占板厚的比例(η=H0/d)，d表示切割試件厚度，H0表示切口表面傾斜條紋區(qū)域在試件厚度方向的長度，如圖2所示。計算平均值并記錄，見表3。

圖2 傾斜條紋區(qū)寬度占比

表3 多因素正交試驗結(jié)果

由表3易見，試驗中平均刮渣高度最大值和最小值分別為723.0 μm和66.8 μm，相差656.2 μm；平均傾斜區(qū)占比最大值和最小值分別為57.3%和33.0%，相差24.3%，可見工藝參數(shù)對刮渣高度及傾斜區(qū)占比有較大影響。

2.2 正交試驗的直觀分析

對正交試驗結(jié)果采用極差和方差分析方法，研究激光切割304不銹鋼薄板過程中工藝參數(shù)分別對切口表面刮渣高度和傾斜條紋區(qū)域占比的影響規(guī)律。

運用Latin數(shù)據(jù)處理軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，輸出的直觀分析結(jié)果見表4。

表4 正交試驗直觀分析統(tǒng)計表

根據(jù)直觀分析結(jié)果，通過比較各工藝參數(shù)對應(yīng)的極差值的大小，得出工藝參數(shù)對刮渣高度的影響權(quán)重為A>D>C>B；對切割面傾斜區(qū)占比的影響權(quán)重為A>C>B>D。通過直觀分析結(jié)果，結(jié)合切割質(zhì)量衡量標(biāo)準(zhǔn)(刮渣高度越小、切面傾斜區(qū)占比越小，切割質(zhì)量越高)，初步得出刮渣高度和切面傾斜區(qū)占比的最優(yōu)工藝參數(shù)組合分別為A2B3C3D3和A3B2C3D1。

2.3 正交試驗的方差分析

極差分析法雖然簡單但不能區(qū)分因素間各水平所得試驗結(jié)果之間的差異是由試驗的誤差引起，還是由因素水平不同引起的，無法預(yù)測試驗分析的精度。而方差分析法可以將試驗誤差的波動與因素水平變化引起的試驗結(jié)果的差異區(qū)別開，因此可以彌補(bǔ)極差分析法的不足[17]。

首先對刮渣高度進(jìn)行方差分析，依次計算統(tǒng)計量平方和(W)及平方和均值(QA)：

(1)

(2)

因素A的平方和SA、自由度fA及均方差VA計算如下：

(3)

式中ST、fT分別表示總的平方和及總自由度。

同理依次計算其他各因素的相關(guān)統(tǒng)計量。最后計算出誤差的平方和：

Se=ST-SA-SB-SC-SD。

(4)

通過正交分析軟件結(jié)合計算公式可得方差分析表如表5所示，表中Fα、α、F均為F分布常用數(shù)理統(tǒng)計符號，α表示顯著水平，F(xiàn)α是在α=0.05的顯著水平下查F分布表得到的數(shù)值。結(jié)果表明，激光功率與離焦量對刮渣高度有顯著影響，這與極差分析結(jié)果一致。根據(jù)同樣的方法對傾斜區(qū)占比做方差分析，結(jié)果如表6所示。在α=0.10的顯著水平下，所得結(jié)果也驗證了傾斜區(qū)占比受激光功率與離焦量影響顯著。

表5 刮渣高度的方差分析表

表6 傾斜區(qū)占比的方差分析表

2.4 優(yōu)化方法

依信噪比直接擇優(yōu)將不同指標(biāo)量化綜合處理，從而對多個產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)做出綜合評價。望小特性實驗設(shè)計是一種新的尋找較優(yōu)的工藝參數(shù)組合的設(shè)計方法。在實際切割過程中，要求刮渣高度及傾斜區(qū)占比越小越好，因此可以通過望小特性進(jìn)行綜合擇優(yōu)[18]。依信噪比法尋優(yōu)可通過正交表安排可控因素，具體操作步驟如下。

依次計算偏差μij、標(biāo)準(zhǔn)值質(zhì)量損失TNQL和總的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量損失TTNQL、整體信噪比TMSNR,計算公式為

(5)

TMSNR=-10lg(TTNQL),

(6)

表7 信噪比法分析計算結(jié)果

將分貝數(shù)TMSNR作為試驗結(jié)果進(jìn)行方差直觀分析得到表8。

表8 不同水平下各因素的信噪比

試驗中，希望SNR越大越好，故選擇不同水平中信噪比值最大的為最優(yōu)水平，得到最優(yōu)工藝參數(shù)：激光功率2800 W、切割速度6 mm/s、離焦量-3 mm和保護(hù)氣壓1.6 MPa。優(yōu)化前后的切縫形貌如圖3所示。測得并計算平均刮渣高度及傾斜區(qū)占比分別為67.2 μm、32.9%，優(yōu)化后的試件切割斷面光滑，切縫下表面無明顯毛刺，優(yōu)于正交試驗的9組結(jié)果，表明望小信噪比法適用于激光切割工藝的優(yōu)化。

(a)優(yōu)化前 (b)優(yōu)化后

3 結(jié)論

本文提出了一種基于望小信噪比的304鋼激光切割工藝優(yōu)化方法，得到了最佳切割參數(shù)組：激光功率2800 W、切割速度6 mm/s、離焦量-3 mm、保護(hù)氣壓1.6 MPa。利用極方差分析法獲得了各工藝參數(shù)分別對刮渣高度及傾斜區(qū)占比影響的主次順序。試驗結(jié)果表明：各工藝參數(shù)對刮渣高度的影響順序為激光功率>保護(hù)氣壓>離焦量>切割速度；各工藝參數(shù)對傾斜區(qū)占比的影響順序為激光功率>離焦量>切割速度>保護(hù)氣壓。通過望小信噪比法對上述兩個指標(biāo)進(jìn)行綜合優(yōu)化，得到綜合最優(yōu)工藝參數(shù)組，測得在該最優(yōu)工藝參數(shù)組下切割試件的平均刮渣高度及傾斜區(qū)占比分別為67.2 μm、32.9%，優(yōu)于正交試驗的9組結(jié)果，結(jié)果表明本文該方法適合激光切割工藝優(yōu)化。