基于響應面法的不銹鋼激光切割特性的研究★

董玉春，王 歡，劉怡君

（燕京理工學院智能工程學院，河北 廊坊 065201）

0 引言

激光切割作為一種新技術，以其效率高、質量好及節能環保等優勢，現已被廣泛應用于制造業中，激光切割主要是通過激光照射使固態金屬溫度瞬時達到液化甚至氣化溫度[1]，并在輔助氣體作用下吹離基體材料，從而達到去除材料的目的。不銹鋼以其良好的抗腐蝕性能及力學性能，被廣泛應用于醫療、化工、工業自動化等行業。因此發展激光切割技術及設備、優化激光切割工藝、建立激光切割質量評價模型，具有重要的意義和價值。

影響激光切割質量的因素較多，目前對其研究主要是通過試驗和仿真的方法進行的。王彥飛等人利用（IPP）圖像處理技術研究了激光切割熔化物顆粒形狀特征尺寸分布，發現隨著功率增大和切割速度的降低，熔化物中圓形顆粒的占比明顯提高，解釋了熔化物去除與切割質量關系密切[2]；胡關虎等人建立了切面條紋瞬時去除模型，從而分析了條紋形狀與Peclets數、熔融層厚度、激光功率等參數的變化規律[3]；徐智博等人利用500 W 激光發生器研究了0.8 mm 厚度不銹鋼板材的切割工藝，分析了氣體壓力、切割速度、焦點位置等因素對切割質量的影響，并得出了此時的最佳參數[4]；張偉博等人對3 mm 厚不銹鋼激光切割工藝參數進行了正交試驗研究，并建立BP 神經網絡預測模型預測最佳工藝參數組合[5]。

目前的試驗研究主要集中在激光切割工藝參數對切口質量和掛渣高度的研究上，缺乏對切縫寬度影響的研究，并且在對掛渣高度的測量及表征方式上存在較大誤差，因此本文設計了響應面法實驗來分析工藝參數對切縫寬度和掛渣高度的影響，建立了回歸模型，最后利用實驗驗證了模型的準確性，為優化光纖激光切割SUS304 不銹鋼的工藝參數提供了一定依據。

1 實驗

1.1 實驗設備及材料

本實驗激光切割機采用SMAT-030HC 型光纖激光發生器，標準輸出功率為3 000 W，輸出中心波長為1 080 nm。實驗樣品為3 mm 厚的不銹鋼板材，切割樣片尺寸為30 mm×15 mm 的矩形樣片，輔助氣體采用純度為99.9%的氮氣，通過Φ1.2 mm 的單頭噴嘴沿激光束同軸方向噴射至切割點。

1.2 實驗方案

選取激光切割中易于調整的切割速度、噴嘴高度、離焦量三個因素作為影響因素以研究其對切縫寬度及掛渣高度的影響。響應面分析法考慮了隨機誤差，并且相比于正交試驗能夠對各個因素水平進行連續分析，故本文對以上三個因素各設計了三個水平，分別為-1、0、1，因素水平編碼表如表1 所示。

表1 因素水平編碼表

1.3 實驗的測量方法

切縫寬度的測量：激光切割板材過程中，由于光束直徑在切割厚度方向上表現出一定的差異，所以在板厚方向的上下表面切縫寬度是不同的，但上表面的寬度直接決定了輔助氣體的進氣量，對加工質量有較大的影響。故本文采用切割上表面的切縫寬度作為測量標準，并取中段5 mm 的長邊上的三個點的切縫平均值作為測量結果。

掛渣高度的測量（見圖1）：由于切割速度在切割的始末位置的加減速動作，始末位置的渣高不具代表性，故本文采用切割樣片長邊的中段渣高作為測量標準。此外，將掛渣與切割基體之間的分界線，定義為液體流線發生明顯轉折處，并以此作為渣高基準進行測量。

圖1 掛渣高度測量方法

1.4 測量結果

采用以上方法的測量結果如表2 所示。

表2 測量結果

2 分析與討論

2.1 工藝參數對切縫寬度的影響

根據測量結果利用Design-Expert 軟件對試驗結果進行處理，分析結果如表3 所示，切割模型為：X=0.214 3-0.048 3A-0.012 5B-0.007 5C+0.002 5AB+0.020 8AC+0.004 1BC+0.116 5A2-0.003 4B2+0.004 9C2.式中：X 為切縫寬度，mm；A 為離焦量，mm；B 為切割速度，mm/s；C 為噴嘴高度，mm。

表3 工藝參數對切縫寬度的影響分析

根據表3 可知，模型的F 值為24.75，其擬合模型偏離實際值的概率低于0.02%，表明模型高度顯著；結果顯示三個因素（考慮其交互影響）對切縫寬度的獨立影響顯著性（見圖2）從高到低依次為激光離焦量、噴嘴高度、切割速度。該模型的擬合R2為0.56，介于0.5～0.8 之間，表明模型擬合較為可靠。

圖2 考慮交互作用下的加工工藝對切縫寬度的影響

結果顯示，在切割速度和離焦量對切縫寬度的交互作用下，離焦量的影響要遠大于切割速度，這主要是因為上表面的切縫寬度實際上取決于激光作用在材料表面的功率密度，在不改變激光功率的條件下，光斑面積越小，激光功率密度越大，響應的瞬間熔化面積越小，宏觀表現為切縫寬度降低，由于激光在焦點位置的光斑最小，所以當焦點正好作用于材料表面時，其上表面切縫寬度最低；而在噴嘴高度和離焦量的交互作用下，離焦量的影響也遠強于噴嘴高度，這主要是因為噴嘴高度決定了入射氣流的速度分布，一般來講，噴嘴高度越低，入射輔助氣流速度越高，能帶走更多的熔融材料，但這一作用建立在功率密度足夠將金屬熔化的前提上，所以噴嘴高度的影響低于離焦量。

最后在噴嘴高度和切割速度的交互作用下，兩者對切縫寬度的影響是非線性的，兩者之間的關系受到離焦量的影響顯著，具體表現為：當離焦量在零值附近時，兩者對切縫寬度的影響強度大致相等；當離焦量為正值時，噴嘴高度的影響逐漸減小，切割速度的影響逐漸增大；當離焦量為負值時，噴嘴高度的影響又逐漸減小，而切割速度的影響逐漸增強。這主要是因為當離焦量由上極值逐漸降低到零值時，材料上表面的光斑直徑迅速縮小，造成其照射面積減小，功率密度增強，材料的瞬時熔融速度會增加，若及時降低噴嘴高度就能提高材料的吹除量，故噴嘴高度的影響強于切割速度；但當離焦量逐漸變小，則會造成上表面的照射激光直徑逐漸增加，功率密度降低，輔助氣體吹除材料的能力也隨之降低，而如果及時降低切割速度，就能增加材料表面的熱傳導時間，從而使切縫變寬，故此種情況下切割速度的影響大于噴嘴高度。

2.2 切割參數對掛渣高度的影響

根據測量結果利用Design-Expert 軟件對試驗結果進行處理，分析結果如表4 所示，切割模型為：Y=0.830 0+0.337 5A-0.243 7B-0.031 2C-0.062 5AB-0.162 5AC+0.025 0BC+0.227 5A2-0.415 0B2+0.010 0C2.式中：Y 為掛渣高度，mm。

表4 工藝參數對掛渣高度的影響分析

據表4 可知，模型的F 值為5.48，其擬合模型偏離實際值的概率低于0.01%，表明模型高度顯著；結果顯示三個因素對切縫寬度的獨立影響顯著性從高到低依次是激光離焦量、切割速度、噴嘴高度。該模型的R2約為0.81，表明模型可靠。圖3 為切割工藝對掛渣高度的交互影響圖。

圖3 考慮交互作用下的加工工藝對掛渣高度的影響

通過分析掛渣高度的模型，可知在切割速度和離焦量的交互作用下，離焦量的影響大于切割速度，這主要是因為對于一定厚度的板材，當離焦量為零值時，切縫最小，則下方切縫中能夠進入的輔助氣體容量就最小，結果使靠近板材下方的熔融金屬不能完全被輔助氣流吹除[6]，造成熔融液滴流速變慢，沒有足夠的動能來克服其內部的黏性力、切應力，宏觀上就變現為熔滴集聚，掛渣高度增加。

而在噴嘴高度和離焦量的交互作用下，離焦量的影響明顯高于噴嘴高度，原因同上。在切割速度和噴嘴高度交互作用下，則是切割速度的影響較為明顯，這是因為速度雖然對切縫寬度的影響不夠顯著，但是速度的降低會使激光在切縫內表面的照射時間增加，則單位時間內液滴的溫度就會提高，結果使單位時間內金屬液滴的熔化量提高，宏觀上就表現為熔渣增加，熔滴間距減小，并趨向于連續。

2.3 模型預測及工藝驗證

根據之前的模型分析，在不改變其他加工參數的情況下，利用Design-Expert 軟件，采用切割速度、離焦量、噴嘴高度作為輸入參數，以最小切縫及最大切縫下所對應的最小渣高作為預測目標，對此三種工藝參數進行預測。預測結果顯示：最小切縫為0.20 mm時所對應的最小渣高為0.04 mm，其對應的工藝參數為切割速度10.48 mm/s、離焦量0.97 mm、噴嘴高度0.9 mm；最大切縫為0.42 mm 條件下所對應的最小渣高為0.05 mm，忽略無意義的速度及渣高為負值的點，此時工藝參數分別為切割速度為3.4 mm/s、離焦量-3.56 mm、噴嘴高度0.9 mm，預測結果如圖4 所示。

圖4 最大及最小切縫下的最小掛渣高度預測結果

為驗證模型，使用預測值進行切割實驗，其結果如表5 所示，分析表明，預測值與實際測量值之間的誤差不超過18%，表明模型有效。

表5 驗證試驗的試驗數據 單位：mm

3 結論

1）基于響應面法建立的光纖激光切割3 mm 厚SUS304 不銹鋼的模型有效，能夠較為準確地預測加工參數對切縫寬度及掛渣高度的影響。

2）加工參數中對切縫寬度的影響由大到小依次是激光離焦量、輔助氣體噴嘴高度、切割速度；對掛渣高度的影響由大到小依次是激光離焦量、切割速度、輔助氣體噴嘴高度。

3）以最小切縫及最低掛渣高度為優化目標，利用模型對所研究工藝參數進行了優化，所得最佳工藝參數為：切割速度為10.48 mm/s、離焦量為0.97 mm、噴嘴高度為0.7 mm。以切縫最大、掛渣最小為優化目標，最佳工藝參數為：切割速度3.4 mm/s，離焦量為-3.56 mm，噴嘴高度為0.8 mm，驗證了模型的準確性。