基于生死單元的黃銅激光切割仿真研究

胡懷春，王 剛，張 春

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

光纖激光切割是一個激光切割頭與加工工件之間不接觸的過程，激光器通過內(nèi)部機構(gòu)形成反射將電能轉(zhuǎn)化為疊加過很多次的加強光，通過光纖輸送到激光頭，后者把光束聚焦成很小的光點，此時光點能量集中，密度極高，遠遠超過材料的光反射，能量進入工件內(nèi)部，提供的溫度超過材料熔點，材料瞬間融化。此時，輔助氣體把熔融的金屬吹除，形成點切縫，預先編程設(shè)計好切割路徑，伺服傳動機構(gòu)按程序帶動激光切割頭移動，便可以切割出連續(xù)的切縫，最終形成所需要的形狀[1-2]，如圖1所示。

圖1 光纖激光切割原理圖

目前，在雷達各級整件設(shè)計生產(chǎn)中不乏各種異形薄板零件，諸如液冷盒體的流道蓋板、線陣中的內(nèi)導體、機柜中的走線架、箱體蒙皮等，涉及的材料有不銹鋼、鋁合金及銅合金。以線陣中的內(nèi)導體為例，其結(jié)構(gòu)特征具有精度高、外形復雜等特點，且批量生產(chǎn)數(shù)量較大。這種薄板零件通常為黃銅H62材質(zhì)，目前多是采用數(shù)控加工或線切割成形，雖然加工精度可以得到保證，但是需要使用較多的輔助工裝，設(shè)置不同加工工藝方法組合用于獲得不同結(jié)構(gòu)特征，需要耗費大量的加工、裝夾、周轉(zhuǎn)時間，生產(chǎn)效率較低，批量化生產(chǎn)周期較長。若使用激光切割代替數(shù)控加工或線切割的成型方式加工銅合金內(nèi)導體，可以大幅提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。本文針對黃銅板H62開展了光纖激光切割仿真研究。

1 仿真模型的建立

光纖激光切割過程中的熱量傳遞方式包括熱傳導、熱對流和熱輻射[3-4]，由于依靠熱傳導作用傳遞的熱量遠遠多于依靠熱對流與熱輻射作用傳遞的熱量，因此激光切割的熱力學方程主要是基于熱傳導建立的，然而激光切割是復雜的激光和材料相互作用的光致熱過程，其數(shù)學模型建立十分困難。為了簡化模型，便于分析模擬結(jié)果，提出了如下合理假設(shè)：被切割的材料各向同性，忽略激光切割中輔助氣體的作用，不考慮激光切割中的熱輻射，激光切割過程環(huán)境是完全理想的，且激光束能力恒定不變。

本文使用有限元仿真軟件模擬激光切割中的切縫形成過程，通過輸入原材料的熱物理參數(shù)實現(xiàn)數(shù)值模型建立，通過六面體網(wǎng)格劃分、網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)和重新劃分能力提高計算效率，通過調(diào)用子函數(shù)進行切縫成形演示，從而分析工藝參數(shù)對切縫的影響。

1.1 仿真幾何模型

由于激光束的直徑極小，能量密度集中，因此激光束的直接影響區(qū)很小，形成的熔池也極小，跨過熔池部分的直接影響區(qū)后母材基本處于傳熱狀態(tài)。由于本文只是對熔池形成的切縫進行仿真研究，所以為了降低網(wǎng)格數(shù)量，提高仿真效率，只對激光束作用的熔池附近進行仿真建模，建立仿真幾何模型如圖2所示。激光束沿切割路徑，從左向右以恒定的速率進行切割。

圖2 仿真幾何模型

1.2 有限元參數(shù)加載

有限元模型：由于幾何模型呈規(guī)則的六面體結(jié)構(gòu)，因此選用六面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分。重點分析工藝參數(shù)對切縫成形的影響，對長寬方向的網(wǎng)格進行細分，厚度方向上不做細分，細分后網(wǎng)格大小為0.05 mm×0.05 mm×0.4 mm，建立的有限元模型如圖3所示。

圖3 仿真有限元模型

材料的熱物理參數(shù)：本文溫度場模擬涉及的材料熱物理參數(shù)有密度、熔點、比熱容、導熱系數(shù)等，重點分析黃銅H62的激光切割過程。關(guān)鍵熱物理參數(shù)如圖4所示。

圖4 黃銅H62的熱物理關(guān)鍵參數(shù)

邊界條件處理：取模型的所有面為對流換熱表面，由于忽略了實際切割過程中的輔助氣體作用，且認為換熱表面的對流不會受到干擾，因此模型表面的對流換熱作用屬于大空間自然對流散熱，設(shè)置環(huán)境溫度20 ℃，空氣自然對流換熱系數(shù)40 W/(m2·℃)。對模型底面的所有節(jié)點施加固定約束，以模擬板料在工作臺面上切割的實況，同時也防止仿真過程中模型漂移。

熱源加載：本文設(shè)定仿真分析的激光束直徑為0.4 mm，熱源以圓柱形作用在模型上，并貫穿整個模型厚度，以熱源功率驅(qū)動激光切割的熱力學傳導，熱源速度設(shè)為恒定值，重點分析功率和速度對激光切割縫隙的影響。熱源總移動距離4 mm，根據(jù)熱源速度不同，拆分10個步長進行過程計算。

生死單元設(shè)置：為了形成切縫，需要通過子程序消除超過熔點的單元。利用子程序，從后處理文件中提取單元的所有積分點溫度，取平均值作為單元的溫度，最后判斷單元的溫度是否超過材料的熔點，如果超過，就將單元的應(yīng)力應(yīng)變置為0，并隱藏該單元，從而形成切縫形貌。子程序編譯如圖5所示。

圖5 生死單元子程序編譯

2 仿真結(jié)果與分析

依據(jù)黃銅的材料特性設(shè)置生死單元消失的閾值溫度為熔點1083 ℃，在激光功率1.2 kW條件下改變切割速度，并加載1節(jié)的有限元參數(shù)進行切割仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

可以看出，在激光功率1.2 kW條件下，當切割速度為7 m/min時，切縫呈逐漸增大的狀態(tài)，這是因為切割速度過慢導致單位時間內(nèi)加載在單元上的熱量增多，后方切割路徑上熱量不斷堆積，切縫呈擴展狀態(tài)，切縫寬度無法控制；當切割速度為10 m/min時，切縫呈不連續(xù)孔狀，無法形成有效切縫，這是因為切割速度過大時，熱量來不及堆積以熔化上一激光束圓周與下一激光束圓周之間的母材，從而形成不連續(xù)切縫，熱量來不及堆積也使得切縫起始位置明顯后移；當切割速度為8.5 m/min時，切縫不僅連續(xù)，而且擴展得到抑制，有助于形成穩(wěn)定的切縫，切縫起始位置與圖6(c)基本相同，說明當切割速度增大到某一數(shù)值，熱量堆積滿足母材熔化條件時，切縫起始位置便不再變化。

為了對比激光功率對切縫形狀的影響，在激光功率1 kW條件下改變切割速度，并加載1節(jié)的有限元參數(shù)進行切割仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。

可以看出，在激光功率1 kW條件下，當切割速度為6 m/min時，切縫與圖6(a)一樣，也呈逐漸增大的狀態(tài)，切縫寬度無法控制；當切割速度為8 m/min時，切縫呈不連續(xù)孔狀，無法形成有效切縫，且切縫起始位置明顯后移；當切割速度為7 m/min時，切縫不僅連續(xù)，而且擴展得到抑制，有助于形成穩(wěn)定的切縫，且切縫起始位置與圖7(c)基本相同。

圖6 1.2 kW激光功率下不同切割速度仿真結(jié)果

圖7 1 kW激光功率下不同切割速度仿真結(jié)果

兩組仿真結(jié)果對比如表1所示。當激光功率從1.2 kW下降至1 kW時，同樣是7 m/min的切割速度，前者切縫擴展，后者切縫穩(wěn)定，說明對于不同的激光功率，匹配的切割速度不同。為了避免熱量堆積過大，低激光功率可以匹配低切割速度，高激光功率可以匹配高切割速度。當激光功率從1.2 kW下降至1 kW時，切縫起始位置明顯后移，說明高激光功率匹配高切割速度比低激光功率匹配低切割速度更有利于穩(wěn)定切縫的快速形成。對比圖6(b)和圖7(b)，在穩(wěn)定切縫條件下，高激光功率匹配高切割速度，局部未熔凸起的間距相對更均勻，宏觀上表現(xiàn)為切割面的條紋間距(粗糙度)一致性較好。

表1 不同功率與速度匹配下的切縫尺特征

對比兩組仿真結(jié)果的相同之處，兩組穩(wěn)定切縫成形演示過程均可以分成圖8所示的3個階段：第1階段是預熱階段，熱源剛剛作用在母材上，母材溫度隨切割運動逐漸上升，但還未達到熔點，因此該階段母材形貌無變化；第2階段是熔池成型階段，熱量積累剛剛達到母材熔點，激光束圓周范圍內(nèi)母材熔化消失，但圓周與圓周之間的母材還未熔化，母材形貌表征為不連續(xù)孔洞或局部未熔凸起；第三階段是穩(wěn)定切縫階段，熱量積累進一步增大，激光束圓周與圓周之間的母材也達到熔點發(fā)生熔化消失，母材形貌表征為連續(xù)切縫。

圖8 切割過程的3個階段

因此，鑒于預熱階段和熔池成型階段的存在，這部分切縫還沒有穩(wěn)定成形。為了確保切縫尺寸精度，可以將激光初始位置設(shè)置在余料位置，激光經(jīng)過一段距離的預切割使切縫進入穩(wěn)定階段，再切入實際需要切割的部位，從而保證零件的尺寸精度。

3 結(jié)束語

(1)基于熱量堆積程度，不同激光功率穩(wěn)定切割階段匹配的切割速度不同，低激光功率可以匹配低切割速度，高激光功率可以匹配高切割速度。

(2)高激光功率匹配高切割速度有利于提高切割面的條紋間距(粗糙度)的一致性。為了獲得粗糙度小、切縫均勻的切割工藝參數(shù)，實際切割時可以通過優(yōu)化算法進行工藝參數(shù)優(yōu)化，尋找切割功率和切割速度的最佳匹配值。

(3)通過穩(wěn)定切縫成形仿真演示可知，光纖激光切割過程可以分成預熱、熔池成型、穩(wěn)定切縫3個階段。鑒于預熱階段和熔池成型階段的存在，實際激光切割的起點應(yīng)設(shè)置在余料位置，經(jīng)過一段預切割后再切入零件外形，從而保證零件的尺寸精度。