一种厚板激光与火焰复合坡口切割方法与流程

本发明涉及金属板材切割加工，具体为一种厚板激光与火焰复合坡口切割方法。

背景技术：

1、坡口切割是重型机械、船舶制造以及核电装备等工业领域中厚板拼焊前必不可少的预处理工序，通过在厚板边缘切割出特定角度的斜面，能够为后续的厚板多层焊接提供足够的填充空间，从而保证全焊透接头的力学性能与结构强度。

2、在现有的厚板坡口加工制造中，通常采用高能热源对切割轨迹处的金属母材进行加热熔化，并同步向切缝内部持续喷射高压辅助气体，高压辅助气体主要利用其自身携带的动能产生向下的气动力，物理剪切切缝内部的液态熔渣并将其排出坡口切缝，以形成所需的倾斜坡口截面。

3、然而，在厚板坡口切割的实际作业过程中，由于坡口切缝呈现倾斜状态，被热源熔化的液态熔渣在斜面侧粘滞阻力的作用下，附着并滞留在坡口切缝的斜面侧，常规的辅助气流沿切缝深度方向喷射时，气流的喷射轴线与所述斜面侧之间存在夹角，气流向下的剪切力难以直接破坏液态熔渣在斜面侧的物理静力平衡，这导致液态熔渣无法有效克服粘滞阻力向切缝底部流动汇聚，残余的液态熔渣在斜面侧冷却凝固，造成坡口表面挂渣并降低了切割面的平整度。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种厚板激光与火焰复合坡口切割方法，解决了坡口切缝斜面侧的液态熔渣粘滞附着导致切割面挂渣的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种厚板激光与火焰复合坡口切割方法，包括沿坡口轨迹进给复合切割头，并在厚板上形成坡口切缝，在所述坡口切缝的深度方向上建立自上而下温度递增的非对称温度梯度场，通过由所述非对称温度梯度场导致表面张力差产生的热毛细剪切应力，驱动液态熔渣由所述坡口切缝的斜面侧向所述坡口切缝的底部流动汇聚；

3、输出在低压谷值与高压峰值之间循环切换的交变气压，所述交变气压的脉动周期由低压持续时间与高压持续时间组成；

4、在所述交变气压处于所述低压持续时间时，输出激光的峰值功率脉冲以汽化所述坡口切缝底部的所述液态熔渣并产生蒸汽膨胀压力，同时向所述坡口切缝的中上部区域喷射横向气流，在所述坡口切缝内构建气动虚拟挡板，阻断金属蒸汽向上逸散并迫使所述蒸汽膨胀压力向下剥离所述液态熔渣；

5、在所述交变气压处于所述高压持续时间时，转入低功率基值状态以抑制所述液态熔渣的过氧化反应，并停止喷射所述横向气流以撤除所述气动虚拟挡板，输出的主切割气流在所述坡口切缝内部形成向下的气动力激波，剪切并排出被物理剥离的所述液态熔渣。

6、优选的，所述建立自上而下温度递增的非对称温度梯度场的步骤，包括：

7、通过热源形成中心加热区，并控制所述中心加热区作用于所述厚板的所述坡口切缝的上半部边缘区域，同时使所述激光的焦点穿透至所述坡口切缝的下半部底端区域；所述热毛细剪切应力的大小为所述液态熔渣的表面张力系数随温度的变化率与所述非对称温度梯度场的温度梯度的乘积。

8、优选的，在所述交变气压处于所述低压持续时间时，所述横向气流具有动压，且所述横向气流的动压与所述蒸汽膨胀压力之间满足气动平衡条件，所述气动平衡条件具体为：

9、所述横向气流的动压，与所述横向气流与所述主切割气流之间的固定锐角夹角的正弦值，两者的乘积，大于或等于所述蒸汽膨胀压力与所述交变气压的低压谷值之间的差值。

10、优选的，在所述交变气压处于所述高压持续时间时，所述气动力激波产生的动压需克服所述液态熔渣与所述坡口切缝的斜面侧之间预设的残余界面粘附应力，且所述气动力激波产生的动压与所述残余界面粘附应力之间满足剪切排渣条件，所述剪切排渣条件具体为：

11、所述气动力激波产生的动压与预设的界面摩擦系数的乘积，大于或等于所述残余界面粘附应力；其中，所述气动力激波产生的动压为所述交变气压处于所述高压峰值时的所述主切割气流的动压，所述界面摩擦系数为所述主切割气流与所述液态熔渣界面的摩擦系数，所述残余界面粘附应力为所述液态熔渣被物理剥离后残留在所述坡口切缝的斜面侧的粘附应力。

12、优选的，还包括切缝底部光谱特征提取逻辑，具体过程为：

13、在所述交变气压的所述脉动周期内，实时采集所述坡口切缝底部的等离子体和金属蒸汽光谱信号；

14、执行波长滤波处理，从所述等离子体和金属蒸汽光谱信号中分离出固定波长的金属原子激发谱线；

15、在所述低压持续时间内对所述固定波长的金属原子激发谱线进行时间积分运算以获取光谱积分强度，其中，所述光谱积分强度为所述固定波长的金属原子激发谱线的瞬时辐射强度在所述低压持续时间内的积分值。

16、优选的，还包括汽化比例映射逻辑，具体过程为：

17、建立所述光谱积分强度与汽化比例之间的量化映射模型，将所述光谱积分强度转换为表征所述液态熔渣汽化程度的所述汽化比例，其中，所述汽化比例为所述光谱积分强度与预设的无等离子体激发状态下的基准光谱积分强度的差值，除以预设的标定满量程状态下的参考光谱积分强度与所述基准光谱积分强度的差值所得到的比值。

18、优选的，还包括滞后补偿算法逻辑，具体过程为：

19、将当前的所述脉动周期内获取的所述光谱积分强度与预设阈值进行比对；当所述光谱积分强度小于所述预设阈值时，将所述预设阈值与所述光谱积分强度的差值，乘以预设的滞后时间补偿系数，计算获取针对所述低压持续时间的补偿时间量。

20、优选的，还包括相位时间调控逻辑，具体过程为：

21、将计算得出的所述补偿时间量与当前的所述脉动周期的所述低压持续时间相加，以生成下一脉动周期的目标低压持续时间；

22、按照所述目标低压持续时间输出所述交变气压的所述低压谷值，并同步延长所述下一脉动周期内输出所述峰值功率脉冲的持续时间以及喷射所述横向气流的持续时间。

23、优选的，执行的异常工况调控逻辑包括：

24、将所述目标低压持续时间与设定的极限安全阈值进行比对；当所述目标低压持续时间达到或者超过所述极限安全阈值时，暂停执行所述相位时间调控逻辑，并降低所述复合切割头沿所述坡口轨迹的进给速度；

25、在降低所述复合切割头的进给速度的过程中，若所述光谱积分强度在预设的异常超时时间内回升至所述预设阈值以上，则恢复所述复合切割头降低前的进给速度并重启所述相位时间调控逻辑；若在所述异常超时时间内，所述光谱积分强度未能回升至所述预设阈值以上，则停止进给所述复合切割头，并联动停止输出所述主切割气流、停止输出所述峰值功率脉冲及停止建立所述非对称温度梯度场。

26、一种厚板激光与火焰复合坡口切割系统，包括主控模块、主气路模块、比例调节阀、激光模块、辅助气路模块、开关阀、加热模块、检测模块以及复合切割头；

27、所述复合切割头集成有主喷嘴、加热喷头以及辅助喷嘴；所述加热喷头的中心轴线平行于所述主喷嘴的中心流道轴线且朝向待切割厚板的坡口切缝的斜面侧具有横向偏置位移；所述辅助喷嘴的喷射轴线与所述主喷嘴的中心流道轴线具有固定锐角夹角；

28、所述主控模块分别与所述比例调节阀、所述激光模块、所述开关阀、所述加热模块以及所述检测模块电连接；所述主气路模块的输出端通过所述比例调节阀与所述主喷嘴的中心流道连通，所述激光模块的输出光束穿过所述主喷嘴的中心流道；所述辅助气路模块的输出端通过所述开关阀与所述辅助喷嘴连通；所述检测模块的光学视场沿所述主喷嘴的中心流道轴线延伸并聚焦于待切割的坡口切缝的底部。

29、本发明提供了一种厚板激光与火焰复合坡口切割方法，具备以下有益效果：

30、1、本发明通过在坡口切缝的深度方向上建立自上而下温度递增的非对称温度梯度场并产生表面张力梯度，利用由表面张力差产生的热毛细剪切应力破坏液态熔渣在斜面侧的物理静力平衡，克服斜面侧的粘滞阻力驱动液态熔渣向坡口切缝的底部流动汇聚，实现了对附着在斜面侧的液态熔渣的有效剥离并为后续交变气压提供物理作用对象。

31、2、本发明通过在低压持续时间内输出峰值功率脉冲汽化液态熔渣产生蒸汽膨胀压力，同时喷射横向气流构建气动虚拟挡板阻断金属蒸汽并迫使蒸汽膨胀压力向下剥离液态熔渣，并在高压持续时间内撤除气动虚拟挡板并输出主切割气流以在坡口切缝内部形成向下的气动力激波，实现了将物理剥离后的液态熔渣彻底向下排出坡口切缝的效果。

32、3、本发明通过实时采集坡口切缝底部的等离子体和金属蒸汽光谱信号并分离出固定波长的金属原子激发谱线进行时间积分运算以获取光谱积分强度，将光谱积分强度与预设阈值比对并计算获取补偿时间量，进而相加生成目标低压持续时间并同步延长输出峰值功率脉冲与喷射横向气流的持续时间，实现了交变气压相位与液态熔渣物理剥离状态的闭环稳定控制效果。