（机械制造及其自动化专业论文）激光切割技术中工艺技术的试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 激光切割以其切割范围广、速度高、切缝窄、热影响区小、加工柔性好等优点而广 泛应用于各种加工领域，是激光加工中发展最为成熟的一种技术。近年来，随着不同材 料在新领域中的应用，为充分发挥激光切割技术在新材料、精细加工和大批量生产中的 优势，更好地解决某些复杂结构的难加工问题，提高激光切割的质量和效率并有效地降 低其加工成本，进一步拓展其应用领域，使激光切割技术更好地服务于社会生产，我们 仍需对激光切割技术不完善的部分进行深入研究。 本文首先介绍了激光切割技术的基本原理、特点以及其在国内外的发展现状，分析 了激光与材料相互作用的规律，论述了选题的背景及意义，介绍了试验条件和方法。 其次针对采用常规加工方法无法满足某军用天线所用的缝阵，在理论分析的基础 上，开展了激光切割铝合金的试验研究，探讨了激光在切割板材时切割工艺的制定，如 打孔点的设置、辅助切割路径的设置、激光束半径补偿以及数控程序的优化等，针对激 光切割质量没有统一的评价标准，提出了用比照判别法来评价切口表面质量的好坏，详 细分析了激光切割工艺参数( 包括激光功率、切割速度、辅助气体种类及其压力等) 对 板材切割质量的影响，在试验的基础上选用最佳的工艺参数组( 压缩空气作辅助气体时， 气压0 5 m p a 、激光功率l o o w 、切割速度l o o m m m i n ；氮气作辅助气体时，气压0 6 m p a 、 激光功率l o o w 、切割速度6 0 m m m i n ：透镜焦距均为8 0 r a m ，聚焦后照射到工件表面上 有效光斑的直径为0 2 m m ) 对铝合金板上的缝阵进行激光切割，能获得满足加工要求 的成品，将加工误差控制在1 0 t m 内。 然后针对管材的结构复杂性给其切割加工带来了不便，传统的加工手段不能很好地 解决管材上装饰用的花纹切割、螺旋线切割、正余弦线切割等问题，开展了激光切割不 锈钢管上简单曲线和复杂曲线的试验研究，也分析了激光切割工艺参数对管材切割质量 的影响，并与板材的激光切割进行比较，还对如何实现管材上复杂曲线的数控编程进行 了探讨。同时也针对陶瓷的难加工问题，开展了激光三维切割陶瓷的试验研究，分析了 工艺参数对其切割质量的影响。 最后对整体论文工作进行总结，并进一步对今后激光切割技术的发展进行了展望， 可以肯定的是本文所作的工作为实际应用提供理论与试验依据。 关键词：激光切割；切割工艺；铝合金；管材；陶瓷 毕华丽：激光切割技术中工艺技术的试验研究 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g yo fl a s e rc u t t i n gt e c h n o l o g y a b s tr a c t l a s e rc u t t i n gh a sb e e nf o u n dw i d e l yu s i n gi nt h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yb e c a u s eo fi t s m a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha st h ew i d e r a n g ec u t t i n gs c a l e ，h i g hc u t t i n gs p e e d ，n a r r o wc u t t i n g k e r r , s m a l lh e a t - a f f e c t e dz o n e s ，a n df l e x i b l ec u t t i n gp r o c e s sa n ds oo n a n dl a s e rc u t t i n gi s o n eo ft h em o s tc o n s u m m a t et e c h n o l o g i e s b u tr e c e n t l yi nt h ew a k eo ft h ea p p l i c a t i o no ft h e d i f f e r e n tm a t e r i a lt ot h en e wf i e l d ，a n di no r d e rt om e e tt h en e e d so ft h em i c r o m a n u f a c t u r e ， e n h a n c et h ec u t t i n gq u a l i t ya n dr e d u c et h ec o s t ，t h er e g a r dt e c h n i c a ls t u d yi nad e e pg o i n g w a y o ft h el a s e rc u 佑n gm u s tb eg o i n go n f i r s to fa l lt h em e c h a n i s mo fl a s e rc u t t i n ga n di t sd o m e s t i ca n de x t e r n a ld e v e l o p i n g p r e s e n ta r er e p o r t e d ，t h el a wo ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nl a s e ra n dm a t e r i a li sa n a l y z e d ，t h e s i g n i f i c a n c eo ft h es e l e c t e dt o p i ci sd i s c u s s e d ，t h et e s tc o n d i t i o n sa n dw a y sa r ei l l u s t r a t e di n t h i st h e s i s t h e nb a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c ho fl a s e rc u t t i n ga 1a l l o y i sc a r r i e do u t ，t h ed i s p o s i t i o no fi n c i s i n gt e c h n o l o g i e si si n v e s t i g a t e d ，s u c ha sc o n f i r m i n gt h e p e r f o r a t ep o i n t ，a r r a n g i n ga s s i s ti n c i s i n gr o u t er e a s o n a b l y , s e t t i n gu pt h er a d i u sc o m p e n s a t i o n o fl a s e rb e a ma n do p t i m i z et h en cp r o g r a me t c ，a n dt h ee f f e c to ft h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ( i n c l u d i n gl a s e rp o w e r , c u t t i n gs p e e d ，k i n d so ft h ea s s i s tg a sa n di t sp r e s s u r ee ta 1 ) o nt h e c u t t i n gq u a l i t yi sd i s c u s s e di nd e t a i l an e wc o n t r a s t i n gd i s t i n g u i s h i n gm e t h o df o re v a l u a t i n g t h ek e r fs u r f a c eq u a l i t yi sr a i s e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n tr e s u l t ，u s i n gt h eo p t i m a l p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ( u s i n gc o m p r e s s e da i ra sa s s i s tg a s ，p r e s s u r e ：0 5 m p a ，l a s e rp o w e r ： 1 0 0 w , c u t t i n gs p e e d ：1 0 0 r a m r a i n ，o fu s i n gn 2a sa s s i s tg a s ，p r e s s u r e ：0 6 m p a ，l a s e rp o w e r ： 1 0 0 w , c u t t i n gs p e e d ：6 0 m m m i n ，t h ef o c a ll e n g t ho fl e n s ：8 0 m m ，d i a m e t e ro ft h el a s e rb e a m a f t e rf o c u s i n g ：o 2 r a m ) t h es l o t so nt h ea 1a l l o yb o a r da r em a c h i n e da n da p p r o v i n gf i n i s h e d p r o d u c ti sa c h i e v e d t h ed i m e n s i o n sa c c u r a c yc a nb ec o m p l e t e l yc o n t r o l l e dw i t h i nt h ee r r o r s c o p e ( + t o g m ) ，a n dt h ep r o d u c t i v i t yc a n b ee f f e c t i v e l yi m p r o v e d m e a n w h i l ei nv i e wo ft u b e sd e s i g nf e a t u r e ，t h ec u r v e o nt h et u b ec a nn o tb em a c h i n e d v e r yw e l lb yu s i n gc o n v e n t i o n a lp r o c e s s i n gm e t h o d t h e r e f o r e ，t h el a s e rt h r e e d i m e n s i o n a l c u t t i n gi si n v e s t i g a t e d ，a n dt h a tt h el a s e rc u t st h es i m p l eo rc o m p l e xc u r v e so nt h es t a i n l e s s s t e e lt u b ei se x a m i n e d ，t h eb a s i cl a wo fl a s e rc u t t i n gt u b ei sa c h i e v e d m o r e o v e rt h et e s t s t u d yo ft h el a s e rt h r e e d i m e n s i o n a lc u t t i n gc e r a m i c si sc a r d e do u t ，a n ds e v e r a lp r o b l e m sa r e f o u n dd u r i n gt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e d u r e ，s o m en e c e s s a r ym e a s u r e sa r ea d o p t e d f i n a l l y , as u m m a r yo ft h ew h o l et h e s i sw o r ki sm a d e ，a n dt h ed e v e l o p i n gf o r e g r o u n do f 查垄堡兰_ 丈兰堕主望篁笙茎 t h el a s e rc u t t i n gt e c h n o l o g yi sf o r e c a s t e d k e yw o r d s ：l a s e rc u t t i n g ；c u t t i n gt e c h n o l o g y ；a l u m i n i u m a l l o y ；t u b e ；c e r a m i c s n l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名；日期： 大连理工大学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：! 塑 导师签名： 己竣纸 矿年上月上6 日 大连理t ：大学硕十学位论文 1 绪论 1 1 引言 激光是上世纪继原子能和计算机之后的又一项重大高新技术，是原子核外电子受激 辐射经光放大而形成的光辐射，具有很多不同于普通光的特性，如：单色性、相干性、 方向性和高光强等。因此，激光束作为一种特种加工用能源( 热源) ，和传统加工用的 热源相比具有一系列的优点：激光束易于传输，其时间特性和空间分布容易控制，易于 实现自动化；经聚焦后，可得到很细的光斑，具有极高的功率密度，可以加热熔化甚至 汽化任何材料，可以进行局部区域的精细快速加工；加工过程中输入工件的热量小，热 影响区和热变形都小 1 捌。这些特点都推动了激光在加工行业中的应用，它能有效地解 决传统加工方法无法解决的问题，尤其是那些高硬度、高脆性材料的切割加工。 自第一台激光器问世以来，激光在加工方面的应用潜力一直受至人们的高度重视。 经过近半个世纪国内外众多学者的研究开发，激光加工作为一种新技术已得到了飞速发 展，其中激光切割是激光加工中发展最为成熟、应用最广的一种，它是利用经过聚焦的 高功率激光束( 常用c 0 2 连续或y a g 脉冲激光) 照射被加工物体表面，并辅助同轴喷 射具有一定压力的气体( 可以是压缩空气、氧气或惰性气体如氮气等) ，光束的能量以 及活性辅助气体与工件材质发生化学反应的反应热被材料吸收，使材料熔化甚至汽化， 随着光束与工件的相对移动，最终在工件上形成割缝，典型的激光切割示意图如图1 1 所剥2 1 。据报道川，激光加工业在国外己具有相当 规模，其中激光切割加工占整个产业的6 0 ，成为 标准的加工工艺。自8 0 年代以来，激光切割技术 与计算机数控技术结合起来的数控激光加工技术， 使激光切割技术如虎添翼，显示出巨大的优越性， 而三维五轴联动激光a n t 机的诞生更推动了激光三 维切割的兴起和广泛应用。近二十年来，随着科技 的进步，激光切割技术的各个环节得到了长足的发 展，是各种加工手段中增长速度最快、最有竞争力 的，且激光三维切割技术也逐步在造船、机械制造、 航空航天、汽车、军工等多个领域得到了广泛的应 用，为现代工业注入了新的活力。 熔渣 图1 1激光切割示意图 f i g 1 1s k e t c hm a p o f l a s e rc u t t i n g 激光切割技术涉及到激光物理学、光学、传热学、流体力学、材料学和生产工程等 众多学科，是一种集光、机、电于一体的高新技术。激光束的参数控制与数控系统的性 毕华丽：激光切割技术中：1 ：艺技术的试验研究 能和精度，都直接影响激光切割的效率和质量。可以讲，目前激光切割技术的发展水平 是一个国家综合科技水平的体现，也是综合国力的体现。许多国家都投入大量的人力物 力致力于该技术的研究，并取得了可喜的成果。目前激光切割的应用实例很多，举例如 下： ( 1 ) 对3 m 长的直升飞机叶片的加工，过去需1 0 个切割工干3 5 分钟才能切出一片， 改用激光切割后，同样的工作只需1 0 0 秒，只消耗几便士的电力，切割2 r a m 厚的不锈 钢板，切割速度可达6 6 m m s ，十个月就可收回激光切割机的成本。 ( 2 ) 对空调风道管镀锌铁皮或涂塑料铁皮的切割，过去是先划线，再裁剪，改用3 5 0 w 激光切割后切割速度达5 0 m m s ，无须划线，投资一年收回。 f 3 1 对钛面铝蜂窝板( 3 0 n m a 厚的铝蜂窝，两面覆以0 2 m m 厚的钛板) 的加工，过 去采用锯切，速度为t o o m m m i n ，还有一些应力损坏，改用3 5 0 w 激光切害4 后切割速度 达5 0 0 0 m m m i n ，且无损坏。 f 对服装裁剪，将激光束聚焦到o 1 3 m m ，用计算机控制进行裁剪，衣料可节约 1 0 1 2 ，式样变换迅速，不需要高级熟练工人。在没有聚氯乙烯的情况下，一次切 割的多层厚度可至5 c m ，无灰尘，有些化纤织物还可自行热封边。 ( 5 1 对其他非金属制品( 包括家具工业硬木、绝缘纸板、硬脆材料等) 的加工，激 光切割都是行之有效的加工方法。 从上面的应用实例可以看出：在生产小批量、多品种的金属零件时使用激光切割直 接代替冲压，具有相当大的经济效益：非金属因其对激光的吸收率高，其激光切割的效 果更好。此外激光切割在模具制造中也有广泛的应用。从能切割的材料方面看，激光能 切割塑料、木材、纸张、橡胶、皮革、纤维、复合材料、各种金属材料如铁、铝及其合 金等( 如图1 2 所示) 。 1 ) 激光切割陶瓷板上的文字 2 ) 激光切割不锈钢板上的校徽图案 大连理工大学硕士学位论文 激光切割有机玻璃板上的齿轮啮合图案 图1 2 不同材料的激光切割样品 f i g 2 1t h el a s e rc u t t i n gs a m p l eo fd i f f e r e n tm a t e r i a l s 1 2 激光切割技术的特点 与常规切割方法相比，激光切割过程中只须定位而不需夹紧，无“刀具”磨损、无 “切削力”作用于工件上，加工速度快，可切不穿透的盲槽，噪声低、无公害，能使板 材的切割效率提高8 2 0 倍，能实现极小缝宽的切割【。7 】( c 0 2 激光器 o 5 m m ；n d ：y a g 激光器 来保证缝阵天线的灵敏发；二是变形问题，铣加工中切削热的释放容 易引起缝变形，另外，切削过程中形成的毛刺也不易清理。采用电火花的工艺方法，工 具电极的形状与狭缝的形状相同，其尺寸要小于狭缝尺寸( 考虑放电间隙的影响) ，对 本文所要切割的缝阵，一次制造的工具电极的数量大，因为各缝的尺寸互不相同。加工 毕华丽：激光切割技术中一f 。艺技术的试验研究 形状复杂的狭缝时，工具电极的制作十分困难，而且工具电极的横截面积小，容易变形， 加工时在火花放电和工作液的冲击下稳定性差，狭缝尺寸和质量不易保证。采用线切割 的工艺方法，工具电极是电极丝，适用于形状复杂、半封闭狭缝的加工，对我们所要加 工的封闭式狭缝需要在零件上预加工穿丝孔，如果穿丝孔影响零件的使用功能，就不能 用线切割加工。另外，采用线切割工艺方法，狭缝的缝宽受电极丝线径的限制，线径过 细，电极丝预紧或加工时很容易断丝，产品质量不易保证，加工时还存在效率低、成本 高等其他诸多问题 1 a , t 2 】。因此考虑采用激光切割，而目前研究较多的是铁基金属的激光 切割工艺，所以本文针对铝合金板上缝阵的加工精度高，传统加工方法不易保证加工质 量，而对铝合金的激光切割工艺进行研究。 一 、l _ 、 ，i fii y - lliil iii iillillill iiili lilii ii li il lii ! i lil il iiiiili lliil liiil l。l j i 。j iliiilli i ii il l il ll i 函 i i ； l l i l ii illiii iillii iiii 【iliiiiil ： i illiiii fififlffii iiil， ： ? iilllliiilj ifi 、 _ | 、旦芝 ffifif 、 图1 3产品结年勾及尺寸 f i g 1 3s t r u c t u r ea n dd i m e n s i o n o ft h ep r o d u c t 对于不锈钢管材，在管材零件的制造中，首先需要对其进行切断以获得所需长度的 管坯，传统的机械加工方法如锯床切断、车床切断、砂轮切断等，生产效率低，难以满 大连理工大学硕士学位论文 足大批量生产的要求；冲压加工虽然生产效率高，但切断时管壁易被压塌，从而使切断 面畸变且切口质量不佳，有“连皮”；还有其他形式的切割( 包括为管材焊接提供基础 的相贯线切割、装饰用的花纹切割、螺旋线切割等) ，用传统的加工方法，不是加工效 率低，就是加工质量达不到要求，有的甚至无法加工。而激光切割的柔性好，能进行各 种复杂的管件切割加工，但由于管材本身的结构特点圆周封闭，其激光切割过程中 存在切缝温度场复杂，冷却困难，熔渣难排除等难题，所以完善管材的激光切割工艺研 究具有重要的现实意义。 而对于工程陶瓷，其切割多采用金刚石砂轮，因为其只能切割直线，无法满足现代 工业发展的需要，而激光控制与数控系统的结合可咀很好地完成工程陶瓷的曲线切割和 精密切割，但是工程陶瓷属于硬脆性材料，在激光加工过程中仍存在不少问题( 熔铸层、 裂纹等) 亟需解决。因此，本论文试图通过自己的工作为激光切割技术能在精密零件加 工中应用提供例证，同时也为丰富特种加工内容作些工作，为后续的研究工作提供一个 可持续深入研究的基础。 1 4 2 研究内容与目标 纵观激光切害4 技术的国内外研究现状，可以清楚地看出，激光切割技术作为一项现 代特种加工技术，为现代工业注入了新的活力，使用波长为1 0 勘l l 的n d ：y a g 激光器 进行研究的内容主要集中在应用广泛的铁基材料的激光切割工艺研究；厚板激光切割的 可行性；高输出激光功率、高性能的激光加工机的研制等。目前尚没有完善的铝合金、 管材及工程陶瓷的激光精细切割的工艺研究，因此本文确定如下研究内容： ( 1 ) 对铝合金的激光切割工艺进行试验研究，探讨了激光在切割板材时切割工艺的 安排，如打孔点的设置、辅助切割路径的设置、激光束半径补偿以及数控程序的优化等， 针对激光切割质量没有统一的评价标准，提出用比照判别法来评价铝合金的激光切割质 量，并在此基础上分析激光切割工艺参数对其切割质量的影响规律，总结出可以用于缝 阵激光切割的最佳工艺参数组； ( 2 ) 对不锈钢管材的激光切割工艺进行试验研究，分析激光切割工艺参数及管材本 身的结构参数( 曲率半径) 对其切割质量的影响规律，并与板材的激光切割进行比较， 以体现激光三维切割与二维切割的不同，并对管材上复杂曲线的数控编程进行初步探 讨； ( 3 ) 对氧化铝陶瓷的激光三维切割工艺进行试验研究，分析激光切割工艺参数对其 切割质量的影响规律，探讨使用激光在板材上切割型腔的可行性及存在问题的解决方 法。 通过对上述三个方面的试验研究希望达到以下两个目标：一是获得铝合金薄板激光 毕华丽：激光切割技术中工艺技术的试验研究 切割的理想工艺参数组，有效解决缝阵切割精度问题：二是验证激光三维切割的可行性， 找出激光三维切割的难点以及激光切割工艺亟需解决的问题。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 2 激光切割基本原理与试验条件 激光切割的过程是材料吸收光能并转化为热能使材料熔化、汽化的过程。同其他激 光加工方法一样，激光切割的物理基础是激光与物质的相互作用，这是一个极为广泛的 概念，它既包含复杂的微观量子过程，也包含激光作用于各种介质材料所发生的宏观现 象。这些宏观现象有材料对激光的吸收、反射、折射，能量转换及传递，材料状态及周 围气体成份( 或固体粉末成份等) ，光束作用于材料表面时的组织效应等。因此影响激 光切害u 质量的因素十分复杂，除了机床、加工材料、工艺方法等“硬件”因素外，还包 括激光功率、切割速度、辅助气体种类和压力等“软件”因素。 2 1 激光与材料的相互作用 激光与材料相互作用的结果之一就是对材料产生破坏。当激光束尚未照射到工件上 时，激光和工件是两个相对独立的部分。一旦激光照射到工件表面，该表面就会吸收和 反射激光，这种吸收和反射主要取决于工件表面材料的光学性质。工件表面吸收激光能 量，使自身温度上升，从而能够改变工件表面的结构和性能，甚至造成不可逆的破坏。 研究激光与材料的相互作用，首先应考虑的是激光能量在材料内的热耦合问题，因为只 有耦合到材料内部的能量才有可能对材料起破坏作用。常用热耦合系数【1 3 j ( t h eh e a t c o u p l i n gc o e f f i c i e n t ) 表征能量耦合程度的大小，它表示被材料吸收的激光能量与入射 的激光能量之比，热耦合系数的大小在激光与材料的相互作用中是决定性因素，与激光 功率密度、激光持续作用时间以及材料温度和表面光洁度，特别是材料对光的反射率有 关。 2 1 ，1 材料的吸收特性 大多数毫秒量级以上的激光加工属于热加工，材料对激光的吸收是激光加工得以实 现的前提。在多数情况下，激光的加工对象是非透明材料，其对激光的吸收率与反射率 之和等于1 ，材料的反射率可用式( 2 1 ) 估算： 月；譬掣姜 ( 2 1 ) ( 1 + nj 。+ k 式中假设材料表面是与空气分界的，z 和k 分别为复数折射率的实数部分和虚数部分。 相应的数值可从常用数据表中查到，估算出该材料的反射率，为其激光加工工艺提供参 考。把r = 1 一a 代入式( 2 1 ) 可得出吸收率a 的值： 毕华丽：激光切割技术中工艺技术的试验研究 肚高藩 实际上，材料对激光的吸收率并非常数 涂层等因素的影响。 ( 2 2 ) 它受波长、温度、材料表面粗糙度、表面 1 波长对吸收率的影响 金属对激光的吸收与所作用的激光波长有关，波长因金属而异，一般为1 咄m 左右， 在f 临界波长以上，金属的反射率非常高；在临界波长以下，反射率急剧减小。一般规律 是：波长越短，吸收率越高。总体来说固体金属表面对大功率激光的反射性较强，如 g u 、a g 、a u 等对c 0 2 和y a g 激光来说反射率都很高，这是因为金属对激光的吸收主 要是通过大量自由电子的带间跃迁实现的，自由电子受光波中强烈的电磁波的影响强迫 振动而产生次波，次波又造成强烈的反射波和比较弱的透射波。因此，金属的电导率越 高，其反射率也越高。表2 1 给出了室温下铝合金对几种特定激光波长的吸收率。 表2 1 室温下铝合金对几种特定激光波长的吸收率【“1 t a b 2 1a b s o r p t i v i t yo fa l u m i n i u ma l l o yf o rs e v e r a lg i v e nl a s e rw a v e l e n g t ha tt h er o o mt e m p e r a t u r e 2 温度对吸收率的影响 材料对激光的吸收率随温度的升高而增大。金属材料在室温下的吸收率都比较小， 当温度升高到接近熔点时，其吸收率可提高到4 0 5 0 ；如果温度接近沸点，其吸收 率高达9 0 。激光功率越大、作用时间越长，金属的吸收率越高。 金属的吸收率与激光波长a 和金属的直流电阻率p 存在如下关系【1 】： a ；o 3 6 5 、历万 ( 2 3 ) 金属直流电阻率随温度的升高而增大，因此吸收率a 与温度丁之间有如下的线性关系 爿( a ) = 爿( 2 0 。c ) xf 1 + 卢( t 一2 0 。c ) ( 2 4 ) 式中口为常数，对金属，参数卢为4 0 0 7 0 0 x 1 0 5 k ，具体数据可查阅有关的物理手册。 相关手册中温度对激光吸收率的影响是在真空条件下测得的，而在实际进行激光加 工时，由于金属随温度升高，表面氧化加重，所以还应该注意材料表面氧化层也增加材 料对激光的吸收这一问题。 大连理工大学硕士学位论文 3 表面涂层对吸收率的影响 利用涂层以提高金属激光热处理的光能利用效率已是激光热处理工艺应用的必要 措施。采用涂层的实质是利用涂层材料对激光的高吸收率来增加材料吸收的光能。一些 涂层在增加材料对激光的吸收同时渗入材料表面，实现激光对材料的合金化，如果处理 恰当将是一举两得的优选工艺。另外，激光加工时材料表面是与空气分界的，空气也可 被看成是涂层，在激光照射下，材料表面的空气吸收部分激光能量而电离与金属蒸汽形 成等离子体，阻止材料对激光的反射。 4 ，表面粗糙度及其它因素对吸收率的影响 增大材料表面粗糙度也可以起到类似涂层提高吸收率的作用。比如用喷砂处理、砂 纸打磨等粗化手段进行加工前预处理，当粗化表面微观不平度达到波长量级左右时，材 料对激光的吸收率变化较大( 表2 2 所示) ，但这种现象在室温条件下较明显，随着温度 的升高，这种现象减少，当温度超过6 0 0 c 时，几乎失效。 表2 2 铝及合金表面状态对吸收率的影响【1 5 】 t a b 2 2e f f e c to fs u r f a c es t a t eo nt h ea b s o r p t i v i t yf o ra l u m i n i u ma n di t sa l l o y 激光入射到材料表面时，材料表面的感应光栅结构和电子反射对吸收率有一定影 响。在激光照射到某种材料上时，可观察到周期的表面光栅结构，它是入射激光的平面 波和表面波在材料表面缺陷处发生散射相互干涉的结果，使之在材料表面导致吸收光能 的增加，即激光感应光栅结构大大提高了材料对激光的耦合性。 2 1 2 激光与材料相互作用引起的物态变化 激光加工的实质就是材料对激光能量的吸收及随后一系列的化学、物理反应。材料 在激光作用下吸收激光能量，表面温度迅速上升至熔化直至汽化温度，从而出现汽化( 图 2 1 所示) 。汽化产生的蒸汽继续吸收激光能量，使其温度进一步升高，形成蒸汽等离子 体f 1 6 】，这种等离子体的出现对材料与激光相互作用产生巨大的影响，主要表现在三个方 面：一是蒸汽等离子体自身对激光有很强的吸收作用，能使后续的激光脉冲部分地甚至 全部不能到达材料表面，即在工件与激光束之间形成一个屏蔽激光能量的“墙”；二是 蒸汽等离子体对工件的作用( 1 7 j ，主要是力学和热学作用( 包括压力和冲量传递、工件内 部应力波等力学效应) ；三是相互作用过程中蒸汽等离子体的点燃和发展过程 1 8 1 ( 包括 毕华丽：激光切割技术中工艺技术的试验研究 等离子体的时间和空间行为) 。因此在激光加工的过程中应尽量避免等离子体的产生。 光束 l ! i 儿 tt ( a ) 热传导 一i 一 t 儿 ( b ) 熔化( c ) 汽化( d ) 形成等离子体 图2 1激光与材料的相互作用 f i g 2 1i n t e r r e l a t i o nb e t w e e nl a s e ra n dm a t e r i a l 在激光与材料相互作用过程中，激光的波长、能量密度和材料的本质以及作用时间 等都将影响材料的变化。材料将通过吸收激光而获得能量，并转换成其它能量形式如热 能、电能、化学能、不同波长的光能等。研究激光与材料相互作用过程中的能量变化， 是为了说明激光加工时激光将能量传递给各种物质的机理。显然，激光与材料的能量转 化仍遵从能量守恒准则。热能以材料温度升高的形式表现出来，随着材料温度的升高， 材料表面再发生热辐射，将能量反馈。如果反馈的能量与入射激光功率相比很小，在分 析计算材料的温度变化时，可以忽略材料表面再发生的热辐射【1j 。 金属材料在脉冲激光束的作用下，当第一个脉冲到达材料表面并被吸收时，由于材 料表层的温度梯度很陡，表面上先产生熔化区域，接着产生汽化区域。当下一个脉冲来 临时，光束能量在熔融状材料的一定厚度内被吸收，此时较里层材料就能达到比表层汽 化温度更高的温度，。使材料内部汽化压力加大，促使材料外喷，把熔融状材料也一起喷 射出来。所以在一般情况下，材料是以蒸汽和熔融状两种形式被去除的。如果功率密度 更高而脉宽更窄，在很短时间内多次将汽化能量输给材料，这就会在局部产生过热现象， 从而引起爆炸性气化，此时材料完全以汽化的形式被去除而几乎不出现熔融状态。 非金属材料在激光照射下的破坏效应十分复杂，不同的非金属之间又有很大差异。 一般来说，非金属材料的反射率比金属低得多，因而进入非金属材料内部的激光能量就 比金属多得多。加上非金属材料的导热性较差，使得“热影响区”的动力学过程与金属 材料有本质的差异。对所有材料来说，可以用激光加热使材料处于液态、气态或等离子 体等不同状态。当激光光能转换为热能的能量达到和超过熔解潜热时，物质处于液态； 达到和超过汽化潜热时，物质处于气态；达到和超过升华潜热时，物质由固态直接转变 1 4 一 一y 大连理工大学硕+ 学位论文 为气态。 总之，激光加工大多基于光束对非透明介质的热作用，激光束与材料的相互作用过 程大致可概括为如下几个阶段：材料对激光能量的吸收及向固体晶格的热振动传输能 量：激光对材料的无损伤加热( 包括熔化) ；通过熔化和汽化喷溅使材料破坏；激光作 用终止后的冷凝。 2 2 激光切割的过程分析 正如绪论中所述激光切割是激光加工技术在工业中应用最广泛的一种技术，因此其 加工过程既符合激光与材料的作用原理，又有自己的特点。 2 2 1 激光切割的机理 从激光切割各类材料的不同物理形式来看，激光切割大致可分为汽化切割、熔化切 割、氧助熔化切割和控制断裂切割四类【1 捌，激光作用的机理互不相同，分别介绍如下： ( 1 1 汽化切割 当高功率密度的激光照射到工件表面时，材料在极短的时间内被加热到汽化温度， 部分材料化作蒸汽逸去，形成割缝，其功率密度一般为l o s w l c m 2 量级，是熔化切害4 机 制所需能量的1 0 倍，这是对不能熔化的材料如木材、碳素和大部分有机材料所采用的 切割方式，其加工机理描述如下： 激光束照射工件表面，光束能量部分被反射，剩余部分被材料吸收，工件表面 温度迅速升高到材料的沸点温度，足以避免热传导造成的熔化： 蒸汽从工件表面以近声速飞快逸出，其加速力在材料内部产生一应力波，使蒸 发前沿压力升高，提高汽化温度； 蒸汽随身带走熔化质点，形成孔洞，在汽化过程中，6 0 的材料是以熔滴形式 被驱除的。 ( 熔化切割 利用一定功率密度的激光加热工件使之熔化，形成孔洞，同时依靠与光束同轴的非 氧化性辅助气流把孔洞周围的熔融材料吹除、带走，形成割缝，其所需的功率密度约为 汽化切割的1 1 0 ，这是本文使用氮气作辅助气体切割铝合金所采用的切割方式。熔化切 割的机理具体描述如下： 激光束照射到工件表面，除反射损失外，剩下能量被吸收，加热材料并蒸发成 小孔： 一旦小孔形成，它作为黑体将吸收所有光束能量，小孔被熔化金属壁所包围， 依靠蒸汽流高速流动，使熔壁保持相对稳定； 毕华丽：激光切割技术中1 ：艺技术的试验研究 熔化等温线贯穿工 牛，依靠辅助气流喷射压力将熔化材料吹走； 随着工件移动，小孔横移并留下条切缝，激光束继续沿着这条缝的前沿照射， 熔化材料持续或脉动地从缝内被吹走。 对本文所试验的铝合金薄板材料，切割速度过慢会使大部分激光束直接通过切口白 白损失能量，相反提高切割速度会使更多光束照射材料，增加与材料的耦合功率，获得 保证切割质量的较宽参数调节范围。 0 1 氧助熔化切割 利用激光将工件加热至其燃点，利用氧或其他活性气体使材料燃烧，由于热基质的 点燃，除激光能量外的另一热源同时产生作为切割热源，这是本文使用压缩空气作辅助 气体切割铝合金所采用的切割方式。氧助熔化切割的机理具体描述如下： 在激光照射下，材料表面被加热达到燃点温度，随之与氧气接触，发生激烈燃 烧反应，放出大量热量。在此热量作用下，材料内部形成充满蒸汽的小孔，其周围被熔 融金属壁所包围； 蒸汽流运动使周围熔融金属壁向前移动，并发生热量和物质转移； 氧与金属的燃烧速度受控于燃烧物质转移成熔渣和氧气扩散通过熔渣达到点火 前沿的速度。氧气流速越高，燃烧化学反应和材料去除速度也越快，同时切缝出口处反 应产物的冷却速度也越快。 最后达到燃点温度的区域，氧气流作为冷却剂，缩小热影响区。 ( 钔控制断裂切割 通过激光束加热，易受热破坏的脆性材料高速、可控地切断，称之为控制断裂切割。 其切割机理可概括为：激光束加热脆性材料小块区域，引起热梯度和随之而来的严重机 械变形，使材料形成裂缝。 2 2 2 激光切割过程中能量的分析 了解激光加工原理，深入认识激光加工机理，必须研究激光与材料相互作用过程中 的能量变化。在激光照射下，随着光吸收的增强，激光作用区内材料温度将不断升高， 只要激光作用区内材料吸收的能量收大于它消耗的能量耗，被作用部分材料的温度 就会持续升高，也就是说，只有满足收z e m 耗的能量动平衡条件，激光作用区内材料 的温度才能保持不变。虽然材料在激光作用下的传热仍遵守热力学的基本规律，也包含 传导、对流和辐射等传热方式，但它有自身的许多特性。例如：加热速度快；温度梯度 大；激光作用形式有脉冲和连续两种方式；激光束的功率密度在照射到材料表面的光斑 内分布不均匀：在激光加热过程中，材料对激光的吸收率以及其热学参数随温度升高而 大连理工大学硕士学位论文 变化；激光加工金属材料和非金属材料的机理不同；激光加工金属材料后的自激冷作用 等等。因此它是个很复杂的问题，不少学者在不同的假设条件下提出了各种热传导模型。 国内外一直都有有关激光加工过程的模拟和仿真的报道，对激光切割过程进行模拟和仿 真，主要目的是希望通过模拟和仿真来决定获得高质量的切割效果所需的主要工艺参 数。为此就必须深入了解切割速度、激光能量、气体压力以及工件本身特性这些工艺参 数的作用规律，而用数学模型来模拟这些工艺参数是非常经济高效的。为了用切割模型 来预测切割速度等工艺参数，最简单、最直接的方法就是求解切割前沿的热平衡方程。 下面以使用氮气作保护气体切害4 铝合金为例来分析切割过程中的能量消耗。 当具有一定功率密度的激光束以移动集中点热源的方式照射到铝合金板上，会在板 表面发生热量的累积，工件以一定的吸收率吸收能量，能量又以不同的形式被消耗，而 从切割区内损失的方式有传导、对流和热辐射。根据u m 【1 9 】研究报道可知，激光切割中 最主要的热损失是热传导造成的，而热辐射以及对流导致的散热非常小，以至于可以忽 略不计。该结论也被p o w e l l 2 0 1 、v i c a n e k 和s i m o n 2 1 1 证实。假设没有蒸发潜热，则热平 衡方程为： 玩；一h 。+ ( 2 5 ) 式中圪，工件吸收的激光功率( w ) ； h 单位时间工件的焓变( w ) ； q c 。单位时间因热传导导致的热量损失( w ) 工件吸收的激光功率圪，由式( 2 6 ) 得到： 圪，t a 匕 ( 2 6 ) 式中爿工件对激光的吸收率： 只。激光器的输出功率( w ) 如前所述，工件材料对激光的吸收率受到波长、温度、表面粗糙度、表面涂层等多 因素影响。经试验验证：波长愈短，材料对激光的吸收率愈高；随着温度的升高吸收率 也增大，铝合金在室温下对n d ：y a g 激光的吸收率仅为1 2 【2 5 】，当温度达到熔点时吸收 率可达5 0 6 0 ；激光功率越大吸收率也越高。同时增大表面粗糙度和利用涂层材料 都可以提高吸收率【“。 单位时间内工件的焓变圩由式( 2 7 ) 得到： h ，= 鸭( c a t + h ，) ( 2 7 ) 毕华丽：檄光切害q 技术中工艺技术的试验研究 式中研，单位时间燃烧的切缝金属质量( 姆) ，m ，= p 。占加； c 比热容( j ( k s k 1 ) ； a t 温升( 1 ( ) ，z ；卅一瓦； l 工件的熔点温度( k ) ； 矗环境温度( k ) ； h 。熔化相变的比焓( j k g ) ； p 。切缝熔融金属的密度( k g m 3 ) ； 口切缝宽度( m ) ； 6 工件的厚度( m ) ； v 激光束的移动速度，即切割速度( m s ) 可见焓变由两部分组成：是切缝金属加热到熔点的热量：二是将之熔化的热量f 2 2 l 一 一 - 篷萝 l ，! i i 区i i 一1 i 区b _ 一切缝宽度6 一工件的厚度 。，：一1 、2 区带量纲的热影响区宽度 v 一切割速度 6 ，2 区扰动温度场的渗透宽度晟，h b 一上、下表面的散热系数 图2 2激光切割的基本模型 f i g 2 2t h eb a s i cm o d e lo fl a s e rc u t t i n g 单位时间内因热传导而造成的热量损失。是指切割热影响区宽度范围内的能量 损失，需要求解热传导方程。图2 2 给出了激光切割的基本模型，激光束沿x 方向移动 产生一条宽为b 的切缝，y 轴平行于工作上表面并与x 方向垂直，z 轴与激光束中心平 大连理_ r ：大学硕士学位论文 行。为了准确地模拟热传导