激光切割過程的溫度場模擬

張朝陽 樊嶸 張博

摘要：激光切割因切割速度快，加工精度高，切口寬度窄，適用范圍廣，而成為應用最廣泛的激光加工技術(shù)。對激光切割過程的溫度模擬，可以探究加工過程中不同的溫度對切割過程的影響，從而優(yōu)化加工工藝參數(shù)，提高激光加工過程時的加工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：激光切割;激光加熱

作為主要的特種加工技術(shù)之一，激光切割因切割速度快，加工精度高，切口寬度窄，適用范圍廣，而成為應用最廣泛的激光加工技術(shù)。激光切割加工的過程復雜，影響因素很多，本文主要分析激光切割加工過程中各階段的能量變化以及對激光切割過程中溫度場進行模擬，對優(yōu)化加工工藝參數(shù)，減少實驗費用和時間，提高加工質(zhì)量具有重要的意義。

1 激光切割加工過程分析：

根據(jù)激光切割過程的不同物理形式，激光切割可分為汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制斷裂切割四類。本文所研究的是在實際加工中應用最廣泛的氧助熔化切割，其利用激光束將材料加熱到燃點，并與輔助氣體——氧氣發(fā)生燃燒反應，所產(chǎn)生的熱量與激光束共同作為切割熱源，熔化切口部分的材料。

2 激光切割過程的階段分析

通過分析激光切割過程中材料狀態(tài)和能量平衡的變化，將其分為三個相互聯(lián)系的階段：第一階段鋼板被激光加熱升溫至燃點;第二階段從Fe和O2發(fā)生燃燒反應開始至鋼板被燒穿;第三階段激光束和切割頭連續(xù)移動，最終將鋼板割開。針對每個階段根據(jù)實驗數(shù)據(jù)建立不同的表達式，來研究加工工藝參數(shù)對切割質(zhì)量的影響，可以使理論模型與實際加工更加接近。

Plas：工件吸收的激光功率，Plas =A Pout

A：工件對激光的吸收率，第一階段段的平均吸收率可取0.08左右

Pout：激光器的輸出功率;

Qheat：激光照射處金屬升溫至燃點所消耗的熱量

AT=Tb - To

m：激光照射處的金屬質(zhì)量

p：被加工材料的密度，

d：激光束聚焦后的焦斑直徑

C：被加工材料的比熱容

AT：鋼板從環(huán)境溫度到燃點溫度的溫升

Qcond：熱傳導所消耗的熱量，也即為熱傳導溫度場的熱

μ：切縫金屬中發(fā)生燃燒反應的Fe所占的比例，可取為60%：

m：單位時間反應區(qū)內(nèi)金屬的質(zhì)量

Qhea+=mCAT

Qmelt：將切縫金屬熔化所消耗的熱量

激光切割加工溫度場的模擬：

根據(jù)激光切割加工的過程分析以及建立的能量平衡表達式和溫度場表達式，利用虛擬現(xiàn)實建模語言（ VRML，VirtualReality Modeling Language）對加工過程中反應區(qū)的溫度變化進行動態(tài)模擬

具體模擬方法是：先根據(jù)溫度場表達式計算出激光切割過程中溫度變化的等溫線，再根據(jù)各等溫線和熱源的距離建立由內(nèi)向外的一層層等溫實體的三維幾何模型，再設定物理場參數(shù)、載荷參數(shù)和邊界條件參數(shù)、劃分網(wǎng)格，求解及后處理模塊，模擬時，輸入加工工藝參數(shù)，由時間觸發(fā)器產(chǎn)生的時刻值計算各等溫實體的溫度，再根據(jù)色溫度得到各種溫度的顏色值，這樣就能將溫度隨時間的變化表現(xiàn)出來。

3 總結(jié)與討論

通過分析激光切割過程中加工能量的變化，將其分為相互聯(lián)系的三個階段，根據(jù)各階段的能量輸入輸出關(guān)系，得出能量平衡表達式;然后結(jié)合實驗數(shù)據(jù)的分析，確定相應的溫度場熱源形式，建立熱傳導溫度場的表達式模型

根據(jù)所建立的表達式模型，對切割過程中的溫度場變化進行了動態(tài)模擬，可以預測工藝參數(shù)改變引起的加工后果，從而優(yōu)化加工工藝參數(shù)。

參考文獻

[1]王家金，激光加工技術(shù)，中國計量出版社，1992.11.

[2]黃開金等，激光與光電子學進展.1998，4：1-8.