基于響應(yīng)面遺傳算法的低碳鋼激光切割工藝分析及參數(shù)優(yōu)化

向 亮，謝 暉，付 山

(湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410000)

激光作為20世紀(jì)舉世矚目的重大科研成就之一，隨著人們對(duì)其認(rèn)識(shí)的深入而被應(yīng)用于工業(yè)制造的方方面面。激光切割這一先進(jìn)的切割技術(shù)，以其切割質(zhì)量好、切割效率高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢(shì)在加工制造中占據(jù)重要地位。但是在切割過(guò)程中，工藝參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量如切面粗糙度、掛渣量等有很大的影響[1-2]。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，對(duì)產(chǎn)品切割質(zhì)量的要求越來(lái)越高，因此如何快速準(zhǔn)確獲得最佳的工藝參數(shù)成為亟待解決的問(wèn)題。為此許多研究人員開(kāi)始探究激光切割過(guò)程中工藝參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響規(guī)律與機(jī)理，并使用各種方法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

陳聰?shù)热薣3]以AA6061鋁合金為研究對(duì)象，分析工藝參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響，得出激光功率是影響切割質(zhì)量的關(guān)鍵因素。李永亮等人[4]采用響應(yīng)面法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，得到不銹鋼的切縫寬度、表面紋理最大峰值、掛渣量3個(gè)響應(yīng)目標(biāo)預(yù)測(cè)函數(shù)，并以3個(gè)響應(yīng)目標(biāo)最小為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化得到3 mm 厚304不銹鋼的最佳工藝參數(shù)。王威等人[5]對(duì)30 mm厚鋼板的氧化切割特性和機(jī)理進(jìn)行了深入研究，并提出激光火焰復(fù)合切割方式改善厚板的切割質(zhì)量的方法，取得不錯(cuò)效果。孫建華等人[6]采用正交試驗(yàn)分析法對(duì)激光切割430不銹鋼板材的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為提高切割質(zhì)量和效率提供了參考。雷偉斌等人[7]采用YAG脈沖激光切割機(jī)切割1.5 mm厚鍍鋅鋼板,運(yùn)用單因素分析法，分別研究了切割速度、激光功率、離焦量對(duì)切縫寬度、掛渣厚度的影響規(guī)律，并確定了最佳工藝參數(shù)。劉晨珺等人[8]以304不銹鋼薄板為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行正交試驗(yàn)，建立了激光切割工藝參數(shù)與質(zhì)量指標(biāo)的回歸模型，通過(guò)該回歸模型預(yù)測(cè)了尺寸誤差值，并進(jìn)行了尺寸加工量補(bǔ)償，最終使加工誤差減小。

分析發(fā)現(xiàn)激光切割工藝參數(shù)的優(yōu)化研究主要集中在激光功率、切割速度、離焦量和輔助氣體壓力等參數(shù)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中難以確定卻無(wú)法避免的激光占空比和激光頻率的研究相對(duì)較少。因此本實(shí)驗(yàn)采用Box-Behnken設(shè)計(jì)了5因素3水平的試驗(yàn)，采用響應(yīng)面法以激光功率、切割速度、激光頻率、激光占空比和輔助氣體壓力作為設(shè)計(jì)變量，以?huà)煸亢痛植诙茸鳛轫憫?yīng)目標(biāo)，建立響應(yīng)面模型。最后使用遺傳算法結(jié)合響應(yīng)面模型以?huà)煸?、粗糙度最小為目?biāo)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

本實(shí)驗(yàn)采用LC-F1000-L光纖激光切割機(jī)，該激光切割系統(tǒng)由光纖激光器和龍門(mén)架機(jī)械臂組成，如圖1所示。光纖激光器型號(hào)為IPG YLS-1000，最大輸出功率為1 000 W，激光束波長(zhǎng)為1 070 nm，光電轉(zhuǎn)換效率大于45%。試驗(yàn)材料采用3 mm厚Q235低碳鋼，尺寸為500 mm×500 mm正方形板。高壓輔助氣體采用同軸吹氣方式，所用氣體為純度(體積分?jǐn)?shù))99.999%的氧氣，切割噴嘴出口直徑為1 mm，噴嘴距離工件高度為0.8 mm，離焦量為1.5 mm。

圖1 連續(xù)光纖激光切割機(jī)

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)探究激光功率、切割速度、激光頻率、激光占空比和輔助氣體壓力等工藝參數(shù)對(duì)激光切割質(zhì)量的影響。由于各因素對(duì)切割質(zhì)量的影響不是獨(dú)立的，因此采用Box-Behnken方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)Design-Expert軟件可以快速完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)選擇激光功率、切割速度、激光頻率、激光占空比和輔助氣體壓力5個(gè)因素，每個(gè)因素3個(gè)水平，以(-1,0,1)進(jìn)行編碼，選擇掛渣量和粗糙度為響應(yīng)目標(biāo)。各個(gè)因素的取值范圍通過(guò)前期的單因素實(shí)驗(yàn)確定，因素水平編碼如表1所示。

表1 因素水平編碼表

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量

試驗(yàn)完成后，采用TR200粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量切縫表面粗糙度，采用精密電子秤(量程300 g，精度0.001 g)測(cè)量掛渣量。

1.3.1 粗糙度的測(cè)量

圖2是激光切割試樣的切口表面形貌，可以看出有明顯的均勻條紋，且紋理的分布在厚度方向上有明顯分層。有研究表明，在接近下緣1/3處切口表面粗糙度最大[9]，因此一般選擇該處的粗糙度來(lái)評(píng)價(jià)整個(gè)切口的切割質(zhì)量。本次測(cè)量以距下緣1/3處(工件厚度)的粗糙度為基準(zhǔn),取樣長(zhǎng)度為30 mm。

圖2 粗糙度測(cè)量示意圖

1.3.2 掛渣量的測(cè)量

掛渣量通常采用掛渣平均高度表征，采用多點(diǎn)測(cè)量取平均的方式獲取[4]，但是在測(cè)量過(guò)程中具有隨機(jī)性且掛渣區(qū)域與材料基體分界線(xiàn)難以分辨，測(cè)量結(jié)果會(huì)存在一定誤差。

本實(shí)驗(yàn)中掛渣量使用工件掛渣的總重量來(lái)衡量，通過(guò)測(cè)量試樣打磨前后的重量，間接獲得掛渣總重量。使用砂輪機(jī)人工打磨，當(dāng)切割試樣切割下邊緣無(wú)肉眼可見(jiàn)掛渣即打磨完成。圖3為試樣掛渣切割打磨前后的對(duì)比圖片。

圖3 掛渣打磨前后切割試樣

1.3.3 測(cè)量結(jié)果

采用以上測(cè)量方法，得到實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果如表2所示。其中A表示激光功率，B表示切割速度，C表示激光頻率，D表示激光占空比，E表示輔助氣體壓力，Y1為掛渣量，Y2為粗糙度。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

2 討論與分析

2.1 響應(yīng)面分析

根據(jù)表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)Design-Expert軟件得到掛渣量和粗糙度的二次多項(xiàng)式回歸模型。

Y1=0.653-0.054A-0.168B+0.128C-0.032D-0.212E-0.151AB-0.094AC+0.159AD-0.112AE-0.049BC-0.055BD+0.045BE+0.109CD-0.069CE-0.027DE-0.021A2+0.019B2-0.059C2-0.110D2

(1)

Y2=5.86-0.609A-0.36B+0.557C-0.729D+1.33E-1AB+0.587AC+0.921AD+0.192AE-0.433BC-1.21BD-0.218BE+0.809CD+2.01CE+1.58DE+0.436A2+0.091B2+0.214C2+1.74D2

(2)

回歸模型的方差分析結(jié)果如表3、表4所示。

表3 掛渣量二次回歸模型的方差分析

表4 粗糙度二次回歸模型的方差分析

掛渣量和粗糙度的回歸模型P值均小于0.0001，遠(yuǎn)低于臨界值0.05，表明回歸模型高度顯著[10]；由激光功率、激光頻率和輔助氣體壓力的P值可判斷3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)掛渣量和粗糙度都有極顯著影響，但切割速度只對(duì)掛渣量的影響顯著，激光占空比只對(duì)粗糙度的影響顯著。試驗(yàn)因素對(duì)掛渣量的影響從大到小依次為輔助氣體壓力、切割速度、激光頻率、激光功率、激光占空比；對(duì)粗糙度的影響從大到小依次是輔助氣體壓力、激光占空比、激光功率、激光頻率、切割速度；掛渣量和粗糙度回歸模型中各因素交互項(xiàng)的P值大部分小于0.05，表明回歸模型中各因素交互影響顯著；兩模型的決定系數(shù)R2均接近于1，說(shuō)明掛渣量和粗糙度回歸模型具有較高的可靠性[11]。

2.2 工藝參數(shù)對(duì)掛渣量的影響

切割參數(shù)對(duì)掛渣量的影響規(guī)律如圖4所示[12]。從表3可知對(duì)掛渣量影響顯著的因素有激光功率、切割速度、激光頻率和輔助氣體壓力。

圖4 工藝參數(shù)對(duì)掛渣量的影響

掛渣形成的主要原因是金屬受到激光光束照射時(shí)受熱熔化，熔融物受到重力作用向金屬下表面流動(dòng)，部分熔化的金屬來(lái)不及離開(kāi)下表面而凝固形成掛渣[13]。增大激光功率有利于提高切割前沿的溫度，降低熔化金屬的粘性摩擦力，使金屬能夠更容易被高速氣流排除，從而減少掛渣量。增大輔助氣體壓力能有效吹除熔化金屬，使掛渣量明顯減少。提高切割速度有利于降低熱輸入，減少熔融金屬總量，從而降低掛渣量[14]。隨著激光頻率的增加，掛渣量穩(wěn)步增加。AB、CD、DE因素交互作用影響規(guī)律曲面如下圖5所示。由圖5可知，切割速度對(duì)掛渣量的影響強(qiáng)于激光功率，輔助氣體壓力對(duì)掛渣量的影響強(qiáng)于激光占空比。因此，如果出現(xiàn)掛渣過(guò)多的切割缺陷時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮調(diào)整切割速度和輔助氣體壓力。

圖5 交互作用對(duì)掛渣量的影響

2.3 工藝參數(shù)對(duì)粗糙度的影響

切割參數(shù)對(duì)粗糙度的影響規(guī)律如圖6所示，從表4可知對(duì)粗糙度影響顯著的因素有激光功率、激光頻率、激光占空比和輔助氣體壓力。

圖6 工藝參數(shù)對(duì)粗糙度的影響

由圖6可以看出，隨著激光功率的增加，掛渣量逐漸減少，如前所述，激光功率增加有利于提高切割前沿溫度，降低熔化金屬粘度，在切割表面重新凝固的熔融物減少，從而粗糙度降低。隨著激光頻率的增加，粗糙度呈現(xiàn)穩(wěn)步增加的趨勢(shì)。增加激光占空比，粗糙度先減少后增加，其原因是激光占空比決定了金屬受熱量的大小，即決定了金屬的熔化量，和金屬熔融物的粘度：前半段激光占空比增加，金屬熔融物粘度降低，粗糙度降低；后半段激光占空比增加，金屬熔化量增加，粗糙度增加。隨著輔助氣體壓力增加，粗糙度增加，原因是在激光切割過(guò)程中，作為輔助氣體的氧氣會(huì)在切割過(guò)程中進(jìn)行氧化反應(yīng)放出大量熱量，因此增加輔助氣體壓力會(huì)導(dǎo)致金屬熔融物總量增加[15]，從而粗糙度降低。AB、CD、DE因素交互作用影響規(guī)律曲面如下圖7所示。由圖7所示，激光功率對(duì)粗糙度的影響強(qiáng)于切割速度，輔助氣體壓力對(duì)粗糙度的影響強(qiáng)于激光占空比。因此，當(dāng)切割表面粗糙度較差時(shí)，應(yīng)優(yōu)先優(yōu)先考慮增加激光功率和降低輔助氣體壓力，再適當(dāng)調(diào)整激光占空比。

圖7 交互作用對(duì)粗糙度的影響

2.4 遺傳算法優(yōu)化

使用基于一款數(shù)學(xué)軟件的多目標(biāo)優(yōu)化平臺(tái)對(duì)激光切割工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)模型為粗糙度和掛渣量的響應(yīng)面模型，優(yōu)化方法為遺傳算法，優(yōu)化目標(biāo)為粗糙度最小和掛渣量最小[16-17]。設(shè)置激光功率的上下限范圍為600～1 000 W，切割速度的上下限范圍為20～40 mm/s，激光頻率的上下限范圍為200～1 000 Hz，激光占空比的上下限范圍為60%～100%，輔助氣體壓力的上下限范圍為0.4～0.8 MPa。得到最優(yōu)工藝參數(shù)為激光功率1 000 W，切割速度40 mm/s，激光頻率200 Hz，占空比91.5%，輔助氣體壓力0.59 MPa，該參數(shù)組合下預(yù)測(cè)粗糙度為3.436 μm，掛渣量為0.012 g。為了保證結(jié)果的正確性，對(duì)優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行切割驗(yàn)證，切割3次并采集數(shù)據(jù)，獲得的數(shù)據(jù)如下表5所示，切割質(zhì)量如圖8所示。實(shí)際測(cè)量值與預(yù)測(cè)值誤差不大，且優(yōu)化參數(shù)切割效果良好，證明了預(yù)測(cè)模型和優(yōu)化流程的正確性。

表5 驗(yàn)證試樣數(shù)據(jù)

圖8 驗(yàn)證試樣切割質(zhì)量

3 結(jié) 論

本文采用Box-Behnken方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，完成了5因素3水平的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)Q235鋼進(jìn)行光纖激光切割實(shí)驗(yàn)得到了掛渣量和粗糙度的響應(yīng)面模型，通過(guò)對(duì)模型的分析得到以下結(jié)論：

1)激光功率、切割速度 、激光頻率和輔助氣體壓力對(duì)掛渣量有顯著影響；激光功率、激光頻率、激光占空比和輔助氣體壓力對(duì)粗糙度有顯著影響。

2)使用遺傳算法對(duì)掛渣量和粗糙度響應(yīng)面模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，以?huà)煸孔钚『痛植诙茸钚槟繕?biāo)，得到最優(yōu)的工藝參數(shù)為：激光功率1 000 W，切割速度40 mm/s，激光頻率200 Hz，占空比91.5%，輔助氣體壓力0.59 MPa。