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，利用管路內的自身壓力控制內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恒定，能有效地解決復雜管網的流量失調，自動保證管網的安
        1 引言
        自動流量平衡閥屬于自力式流量控制閥，利用管路內的自身壓力控制內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恒定，能有效地解決復雜管網的流量失調，自動保證管網的安全運行，廣泛應用于建筑、消防、供暖、石油和化工等系統管網。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點，可以很好地完成對過流曲線的切割。
        影響激光切割質量的因素較為復雜，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，尤其是切割薄壁管材時，管材在厚度方向上是一個封閉結構，使得管材的散熱條件較為復雜，而且壁厚較薄，切割所得的空間曲線易產生熱變形。如何選擇合理的加工參數以提高其切割質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量的影響，以切割出高質量的過流曲線。
        2 實驗方法與設備
        實驗采用壁厚為1mm，直徑為20mm，材質為1Cr18Ni9Ti的不銹鋼圓管，切割系統如圖1所示。其中工作臺由水平移動軸x軸、y軸和轉動軸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連續可調，脈沖寬度為0.1~20.0ms連續可調，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 激光切割系統示意圖

        3 實驗結果與分析
        3.1 輔助氣體種類及壓力對切割質量的影響
        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域的熔渣，使切割過程持續順利進行，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，切割時切口區在高溫下發生氧化放熱反應，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，調整氧氣壓力進行切割實驗，測量結果見表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。隨著氧氣壓力繼續增大，高的氣流速度對激光作用區冷卻效應增強，使切口區吸收的有效熱量漸漸恒定，切縫寬度趨于穩定，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，但達到一定數值后，繼續增加氧氣壓力除增強氣流對加工區的冷卻效應外，還可能對激光作用區產生干擾，造成切割前沿擾動層不穩定，導致切割速度下降。而且氧氣中的雜質也會對切割質量造成不良影響，為了獲得良好的切口質量，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，調整輸出電流進行切割實驗，測量結果見表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，單位時間內熔融的材料更多，切縫寬度增大，材料熔融程度提高，產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，將出現無法連續切斷的現象，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，提高了切割質量的穩定性和加工效率。
        3.3 掃描速度對切割質量的影響
        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，調整掃描速度進行切割實驗，測量結果見表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等因素，在氧氣壓力和輸出電流等工藝參數一定的情況下，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，調整焦點位置進行切割實驗，測量結果見表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??；切口表面粗糙度同樣先減小后增大，離焦量為零時，切口表面粗糙度zui小。經過大量的實驗，切割出圖6所示的高質量過流曲線，切縫整齊、光滑，表面粗糙度低，幾乎無熔渣，經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：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*工藝參數切割的過流曲線

        4 結論
        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的發展，三維激光切割技術具有十分廣闊的應用前景。實驗結果表明，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量，通過分析各因素對切割質量的影響規律，選擇合理的工藝參數可以切割出高質量的自動流量。經過大量的實驗，得出較為理想的切割工藝參數：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。