（材料加工工程专业论文）氧助散焦co2激光切割厚板技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 触光切割具有切割速度快、切缝窄、1 ；j j n n n * i t n t d 、热影响区小、变 形小_ 适应性广、效率高等优点，其应用范围越来越广。对于1 2 m m 以下薄板， 研究较多，技术较为成熟。但对于1 2 r a m 以上厚板则研究较少。， 散焦法是新近出现的激光切割厚板新方法。目前只有英国学者w o n e i l l 等进行了研究报道。因此，开展这方面的研究工作，不仅具有实际应用价值， 而且具有一定学术意义。本文将对氧助散焦c 0 2 激光切割厚板技术进行系统研 究。主要内容如下： 1 分析了散焦法原理，阐明氧助散焦c 0 2 激光切割厚板的技术难点及切割的稳 态工作条件。结果表明，厚板切割的稳态工作条件是：散焦光斑直径大于氧 流直径，在一定功率和一定速度下保证切割前沿温度达到燃点1 0 0 0 c 以上。 2 研究了散焦高斯分布c 0 2 激光及金属一氧氧化燃烧反应双热源作用下工件的 温度场，推导计算出温度场解析计算公式。 3 应用散焦激光并利用超音速喷嘴切割1 2 m m 、2 0m m 厚板，研究切割速度， 激光功率、散焦光斑直径喷嘴端面到工件距离等参数对切割质量的影响规律。 4 使用有限元软件a n s y s 对激光热源作用下工件的表面温度场进行了数值模 拟。 5 将实验结果与数值模拟结果及解析法计算结果进行了对比分析研究。结果显 示，实验结果与数值模拟及解析法计算分析结果吻合良好。 关键词：c o ：激凳器，散焦法激光1 切割，厚板，温度场，解新模垂，k 数- 值模拟 0 ； 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e r c u t t i n g h a sb e c o m et h em o s tc o m m o ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n o fh i g h p o w e rl a s e r s b e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e ss u c ha sh i g hs p e e d ，n a r r o wk e r f s ，n a r r o w h a z ，m i n i m a ld i s t o r t i o n ，s m o o t ha n ds h a r pe d g e s ，h i g he f f i c i e n c ya n dm a c h i n i n g b o t hs o f ta n dh a r dm a t e r i a l s u pt on o wm a n ya c h i e v e m e n t sh a v eb e e na c q u i r e df o r c u t t i n go f s t e e lp l a t e sw i t ht h i c k n e s so fl e s st h a n12 r a m b u tf o rt h i c kp l a t e so fm o r e t h a n12 m mi nt h i c k n e s s ，f e ws t u d i e sh a v eb e e nd o n e l a s o xi san e w l yd e v e l o p e dm e t h o df o rc u t t i n gt h i c kp l a t e s b r i t i s hs c h o l a r - w o n e i l la n dh i sc o l l e a g u e sa r et h eo n l yg r o u pw h op r e s e n t e dp a p e r sa b o u tt h i s m e t h o d s o ，i ti su s e f u la n da c a d e m i c a l l yv a l u a b l et of u r t h e rs t u d yo x y g e n - a s s i s t e d d e f o c u s e dc 0 2l a s e rc u t t i n gp r o c e s sf o rt h i c kp l a t e s i nt h i st h e s i s ，s o m e p r o g r e s s e sa r eo b t a i n e dt h r o u g ht h es y s t e m a t i cs t u d yo n t h i sm e t h o d t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 t h e p r i n c i p l e sa n dk e yt e c h n i c a lp o i n t sf o rd e f o c u s e dl a s e rc u t t i n go f t h i c kp l a t e s a r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h es t e a d y s t a t ec o n d i t i o nf o rt h ec u t t i n gi st h a tt h e l a s e rb e a mi n c i d e n ta r e ai sg r e a t e rt h a nt h a to ft h eo x y g e n g a sj e ti n t e r a c t i o na r e a o nt h ew o r k ；i i e c ea n dt h es u r f a c et e m p e r a t u r ew i t h i nt h eg a s j e ti n t e r a c t i o na r e a 。 i sh i g h e rt h a nt h em e t a lb u r n i n g t e m p e r a t u r ep o i n t ，a b o u t1 0 0 0 c ，b y u s eo f l a s e r b e a ma tac e r t a i np o w e rl e v e la n d c u t t i n gs p e e d 2 as t u d yo nt h et e m p e r a t u r ef i e l d p r o d u c e db yb o t ht h ed e f o c u s e dc 0 2 l a s e r b e a ma n dt h eo x y g e n m e t a le x o t h e r m i cr e a c t i o nh a sb e e nm a d e ，a n da n a n a l y t i c a l e q u a t i o nh a sb e e np r o p o s e d 3 l a s e rc u r i n g e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ta n dt h er e s u l t ss h o wt h a t1 2 r a ma n d 2 0 m mt h i c kp l a t e sc a nb ec u ts u c c e s s f u l l yb yt h i sm e t h o d t h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h e c u t t i n gq u a l i t yi sr e l a t e ds t r i c t l yt om a n yp r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha st h e h i 臻糍，弹 徽。瓤黯藿f ? 华中科技大学硕士学位论文 d e f o c u s e db e 锄d i a m e t e r , c u t t i n gs p e e d ，i n c i d e n tp o w e r a n ds t a n d 。o f t 4 t h e f i n i t ee l e m e n t s o f t w a r e - a n s y s w a su s e d t os i m u l a t e t h es u r f a c e t e m p e r a t u r e f i e l d sa l o n gt h ec e m e r l i n e i nt h ec u t t i n gp r o c e s s 5 ac o m 口a r i s o nb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n d a t aw a sm a d ea i l dar e a s o n a b l ea g r e e m e n t b e t w e e nt h e mh a sb e e nf o u n d k e y w o r d s ：c 0 2l a s e r , l a s o x l a s e r c u t t i n g ，t h i c kp l a t e ，t e m p e r a t u r e f i e l d ， a n a l y t i c a lm o d e l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i l l 蓬淄龇漕醚激荻；毒蘸蠡敬点点i 。 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概论 激光切割始于1 9 6 3 年，1 9 6 7 年，氧气作为辅助气体用于金属切割。由于激 光切割具有切速快，切缝窄、切缝表面粗糙度小、热影响区小、变形小、适应性 广、效率高等优点，其应用范围越来越广2 j j 。 目前工业上使用的激光器主要有c 0 2 气体激光器和y a g 固体激光器。典型 的激光切割设备由激光器、导光系统、控制系统和辅助设备等四部分组成。激 光设备已从早期的两坐标发展到五坐标即三个互相垂直的真线运动轴x ，y z 和 两个旋转轴口，甚至六坐标( 外加焦点自动调整) 1 4 1 。 关于激光切割的分类方法，国内外主要有三分法和四分法两种1 5 , 6 1 。笔者认 为四分法比较合理，因为它包括了目前所有的激光切割方法。四分法认为激光 切割可以分成汽化切割、熔化切割、氧化熔化切割及控制断裂切割四种。汽化 切割：高能量激光束( 功率密度1 0 8 w c m2 以上) 使被切材料表面汽化并形成匙 孔。汽化切割主要采用脉冲激光，可以切割不熔化材料如木材、塑料、及陶瓷 划片等。熔化切割：激光功率达到阀值并使材料形成匙孔。切割能量仅由激光 束供给，与光束同轴的惰性气体将熔化物吹出，适合于光泽较好的材料如不锈 钢，铝、钛等。熔化切割所用功率一般只有汽化切割的十分之一。氧化熔化切 割：切割能量由激光束和氧化反应共同供给。主要应用于钢和钛的切割。控制 断裂切割：对于易受热破坏的材料，通过激光束进行高速可控地切断，可以切 割玻璃、陶瓷等。 值得注意的是，尽管激光切割得多越来越广泛的应用，但是，到目前为止， 人们还不能彻底理解切割过程，有些问题认识还很浮浅或者没有开展研究。因 此，本章将对激光切割技术研究现状进行一下综述，最后指出本文的主要研究 内容及意义。 ，薹蠡o 。；! ， 魏瓤。 曛蓬。一 ” 华中科技大学硕士学位论文 1 2 激光切割研究现状 1 2 1 影响切割质量的主要因素 激光加工切割过程是一个复杂的热加工过程，涉及到材料、激光束和切割 气体之间的复杂作用。影响切割质量的因素可以分成以下几类p j 。 ( 1 ) 激光光学特性的影响 学者们对激光光束模式、焦点光斑大小及光斑位置和光束偏振特性等方面 进行了研究】。认为低阶的高斯模t e m o o 和环形模t e m o l 功率密度和能量密度 较高比较适合激光切割。当偏振光照射到工件上时，材料对激光的吸收系数因 偏光面不同而发生变化。只有当光束的偏振方向平行于切割方向时，材料对光 的吸收系数最好。实际切割时采用圆偏振镜，以获得各方向宽度相同、平直的 切缝。 ( 2 ) 材料特性的影响【5 】 材料的表面状态、反射率与吸收率i 引、密度、熔化热、汽化热、热传导率、 热扩散率等对切割同样有较大的影响。 ( 3 ) 常规工艺参数的影响f 1 o ，1 1 ，1 2 ，1 3 ，1 4 j 对于切割工艺，学者们进行了较多的研究。单项参数的影响已经较清楚。 随着激光功率增加，切割速度和可以切割厚度增加。切缝宽度则随激光功率和 辅助气体压力增加而增加。切割速度越快，切缝越窄。切割速度对表面粗糙度 的影响呈两头差、中间好的趋势。及在速度太快或太慢情况下，切缝表面粗糙 度大，而在中速情况下，表面较光滑。 ( 4 ) 喷嘴的影响 由于喷嘴的形状及其产生的气流流场对切割质量影响较大，因而学者们进 行了广泛对研究i ”，m j 。传统的喷嘴有平行形、锥形、会聚形及平头形等。但这 些喷嘴在较高的供气压力下喷出的气流紊流度增加，在气体流场中容易产生激 波。激波的存在产生以下危害( 】。1 ) 激光穿过流场时折射率发生变化，并导致 焦点位置发生变化；2 ) 使得切割气体压力较供气压力下降许多，而且喷嘴与工 2 。囊 | | i 鏊醚谶谶越惑，! 蠢錾馘：。 华中科技大学硕士学位论文 件之间距离发生少量变化时，切割压力变化很大：切割稳定性变差。如果喷嘴和 工件之间存在正激波，在喷嘴和工件的流场中将产生涡流。涡流使得熔渣排除 困难，切割质量下降。使用超音速喷嘴后，喷嘴喷出气体动量高，流速均匀， 边界整齐，无激波，有助于提高切割质量f l 工”j 。 1 2 2 切割质量的判断标准 激光切割加工作为一项精密加工技术越来越受到重视。但我国切割标准的 制定却较为滞后。这在一定程度上影响了这项技术的推广与应用。虽然已经有 国际标准i s 0 9 0 1 3 中的i s o d i s l l l 4 5 ：9 2 ，但并没有得多很好的推广与应用。目 前我国没有相应的激光切割标准。目前国际使用主要切割标准有【1 9 】：德国标准 d i n 2 3 1 0 ，美国标准a w s c 4 卜7 7 ，日本标准w e s 一2 8 0 1 1 9 8 0 ，前苏联标准 g o s t l 4 7 9 2 8 0 ，法国标准n f a 8 7 0 0 0 等等。 其中德国标准d i n 2 3 1 0 考核参数包括切边垂直度和斜度u ，表面粗糙度r z ， 条纹后拖量n 和切割边缘园角尺寸r 。美国标准a w s c 4 1 - 7 7 包括平面度f ，条 纹后拖量d ，表面粗糙度r ，切割边缘园角尺寸t ，切痕宽度n 和条纹后拖量s 。 日本标准w e s 一2 8 0 1 1 9 8 0 包括边缘熔化尺寸m ，平面度f 表面粗糙度r ，切痕 宽度n ，斜边精确度，直线度和焊渣粘附度。可以看出不仅各国考察切割质量的 参数并不一致，而且具体数据也相差较大。综合这些标准并参考其它切割标准， 笔者认为激光切割标准应该考察以下六项指标。 切缝表面粗糙度r z ， 切口挂渣尺寸 切边垂直度和斜度u ， 切割边缘园角尺寸r 。 条纹后拖量n 。 平面度f 。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 3 激光切割表面条纹形成机理研究 切割表面条纹不仅与切割质量密切有关，而且与很多因素相互关联，因而 学者们进行了大量研究。 ( 1 ) 横向燃烧理论 l 2 0 ( t h es i d e w a y sb u r n i n gt h e o r y ) o s a k a 大学的a r a t a 、m i y a m o t o 和m a r u o 提出了低碳钢助氧c 0 2 激光切割 的机理。包括以下一些步骤： 激光照射下，材料表面达到燃点温度，随之与氧气接触发生燃烧反应、 放出大量热量。在这些热量作用下，材料内部形成充满蒸汽的小孔，小孔被熔 融金属壁包围。 燃烧前沿由激光束和氧化反应提供热量使燃烧前沿从激光束中，i i , 迅速向 前移动。 一旦激光束落到燃烧前沿后面，燃烧前沿冷却到1 0 0 0 c 以下并熄灭。 激光束向前移动，继续加热金属材料、并重新点燃下个区域，重复以 上过程，切缝保留下来。 图1 一l 为助氧激光切割周期循环略图。通过高速摄影机已经观测到条纹形成 现象。但是，这一理论不能解释为什么高速切割条件下条纹依然存在。 切 图l l 助氧激光切割燃烧周期循环略图 ( 2 ) 周期氧化理论( c y c l i co x i d a t i o nt h e o r y ) 瑞典学者a i v a r s o a 等2 0 3 对氧化过程进行了研究和分析，他从氧化动力 学角度研究了条纹形成原因。认为氧化反应是扩散控制反应。在早期阶段，反 纛滋疆懿魑鑫 穗i 蕊蠹。运j i 蒸。，。，一 华中科技大学硕士学位论文 应速度快。但随着氧化层厚度增加逐渐减慢。即氧化层的扩展是先快后慢。一 旦氧化物吹走，另一个膨胀过程就会产生。这种氧化反应的周期性变化以及与 熔融物质吹走有关的粘度及表面张力变化导致了条纹形成。但这一理论并没有 说明氧化层为什么会突然减薄。假定熔融物质吹出是一个连续过程，氧化周期 将不会产生条纹。图1 2 为切割时各区化学成分分布图。从右向左，氧浓度逐渐 降低。 切割方向 液态区一 f e 固 f c + f e 0 0 2 态 f e f e 0 + 0 2 图1 2 各区化学成分示意图 ( 3 ) 液态层振动理论【2 l 】( 1 i q u i dl a y e ro s c i l l a t i o nt h e o r y ) 由d s c h u o c k e r 提出。他认为熔化层在被吹走之前产生了周期性振动。吸收 的激光功率以及活性气流的波动导致了液态层厚度及温度变化。吸收功率的波 动可由激光束的振动及材料吸收率的变化而引起。反应能量的波动由气流在切 缝中紊流强度变化引起。在某些特殊情况下，即使没有吸收功率的波动，液态 层也能以自然频率振动。这一理论与实验吻合良好，也是第一个计算条纹深度 的模型。j p o w e l l 和s l c h e n 分别利用这一理论5 6 】，通过调整脉冲激光频率与 功率，可以使切缝表面粗糙度显著降低。 ( 4 ) 综合理论 p d i p i e t r o 【2 2 】认为液态层理论与横向燃烧理论可以同时发挥作用。当切割速 度小于氧化反应向前移动速度时，横向燃烧理论起支配作用。而当高速切割时， 液态层理论起主导作用。当切割速度增加时，单位时间内存在于切缝中的熔化 金属增加因而熔化层厚度增加，并在切割面边沿形成更大的空间变形，液态 5 ，菇珏m 。：，灞 华中科技大学硕士学位论文 层因此而形成振动。当速度增加时，熔融金属的流动由一维变成二维。这也证 明，速度增加时，作用机制逐渐由横向燃烧变成液态层振动a ( 5 ) 其它理论 f o o l s e n 【2 3 】认为切割面后面的薄熔化层被气流周期性吹出，因此形成条纹。 条纹在等离子切割、气体切割和激光切割过程中都会产生。条纹从板料上表面 一直延伸到下表面。这种理论不能解释为什么上表面条纹细，而切缝下表面条 纹粗。图1 3 为条纹形成示意图。 切射气蘸 切割方向 艘枣蜃 气化材料 熔化辅 备垃 图1 3 切割条纹形成示意图 k a ic h e n 通过实验发现【2 4 1 ，切割前沿金属的吹出呈周期性现象。他认为熔 融金属吹出之前的液态层振动加上切割过程中的氧化及热传输对条纹形成影响 很大。切割速度决定液态薄膜是否破裂或者在切割前沿形成波动。可以根据高 速气流作用下液态层非稳定性理论及可控氧化扩散理论进行解释。当切割速度 小时，液态层在切割前沿破裂。当切割速度增加到某点时，先在切割前沿上都 破裂处产生波动。每当波动量最大或者液态膜破裂时，熔化金属去除量增加并 加速氧化及熔化。结果在前沿形成周期性条纹。条纹频率与波动频率或者薄膜 破裂频率有关。可以看出，k a ic h e n 认为液态层振动理论与周期氧化理论综合 可以解释条纹形成原因。 b s y i l b a s 提出了一个模型应用于预测条纹的宽度与深度【2 卯，结果吻合良 6 麓渤l 漱i 糟j i 惑；囊蠢囊，；i 琵垂磊i ， 华中科技大学硕士学位论文 好。他认为横向燃烧、表面液态层振荡、以及由于表面等离子体而引起的吸 收功率变化是条纹形成的主要原因。可以看出，y i l l b a s 与e d i p i e t r o 的观点相 似 1 2 4 切刳过程解析模型 解析解法是以数学分析为基础，求解方程的定量问题，并得到函数形式表 示的解。在方程的求解过程中，物理概念及逻辑推导清楚。解析解法的缺点是 只能解比较简单的问题，为了求解将很多条件进行了简化。目前研究出的激光 切割过程解析模型主要列出了能量平衡、质量平衡和动量平衡方程，研究了温 度场、最大切割速度等问题。例如，j p o w e l l 等研究了惰性气体切割过程的能量 平衡和激光切割过程的能量重新分布 2 6 , 2 7 】。w s c h u l z 等人计算了切割过程的热 传导损失并预测了温度场，并从能量平衡角度出发研究了熔化切割的最大深度 吨3 2 9 1 。a f h k a p l a n 则给出了金属切割过程的质量、动量及能量平衡方程 2 9 1 0 d a y a n ae s p i n a l 和m j h s u 则研究了厚板氧助激光切割的热化学模型3 1 3 2 1 0m v i c a n e k 研究了切割过程中惰性气体流对液态金属的动量及热传输t 3 3 1 。m i n gj y e t s a i 则研究了液态金属的线性稳定性 3 4 1p d ip i e t r o 则根据线状热源的温度场 公式推导了切割条纹频率计算公式r 2 2 j u f t 阿雷龙等人根据c a r s l a w 和j a e g e r 的公式给出了恒定热通量的激光源加热半无限大体的温度场计算结果r 3 5j e 同样， 资料丘“1 0 1 也给出了温度场的解析计算结果。在温度场的解析模型中，往 往只能用于定性分析，很难给出定量结果。 1 2 5 切割过程敦值模拟 激光切割过程是一个及其复杂的热加工过程，涉及到材料、激光束和切割 气体之间的复杂作用。为了全面深刻了解这一复杂过程，建立各种变量与切割 质量的关系，进行过程模拟是十分必要的。实际切割过程受到许多因素的影响。 因而是一个高度非线性的过程，因此要精确地模拟是十分困难的。不过国内外 学者还是持之以恒进行了研究。研究了四种切割方法和切割中的主要问题。数 7 螫麓豢 华中科技大学硕士学位论文 值模拟是以离散数学为基础，以计算机为工具的模拟方法它的理论不如解析 法严密，但对实际问题有很大的适应性。p a u ls s h e n g 等人研究了不锈钢切割过 程中热影响区的形成。给出了解析模型和数值模拟结果1 3 7 1 0 同样他还研究了三 维激光切割的轨迹 3 8 1 ee d ip i e t r o 研究了切割前沿移动速度对前沿温度的影响 m 0 。m j k i m 提出了激光切割过程的二维瞬态有限元模型1 4 ”。j o s e p h m p m s a 采用有限差分法计算了激光切割过程的热传导损失并预测了温度场和最大切割 速度 4 2 1 。s - l c h e n 研究了氧助c 0 2 激光切割的三维模型及切割前沿的动态模型 4 3 ，“1 。 1 2 6 其它方面研究状况 台湾学者s h a n g l i a n gc h e n 研究了氧气成分及压力对切割过程的影响【4 5 酗。 瑞典学者a i v a r s o n 等人对切割喷出物进行了分析研究 4 7 , 4 s 】，并认为铁氧化成氧 化亚铁为切割前沿提供了4 0 的能量，其余来自激光束。沙特学者b s y i l b a s 则对切割过程的热效率、等离子体对切割质量的影响、燃烧过程的理论模型和 激光切割的熔透时间与速度等方面进行了分析研究4 9 地扎珏5 3 1 。d e m a t t h i a s h a n s m a n n 研究了预热温度对板材激光切割的影响t 5 4 1 ph o k e t t i n g 及 s h e n g l i a n gc h e n 则分别研究了不同激光源以及脉冲激光对切割质量的影响”5 5 6 1 1 2 7 工艺方法研究一厚板激光切割技术 由于激光切割厚板难度较大，其研究和应用较少，也是本文的研究范围， 因而有必要进行专门分析与回顾。 ( 1 ) 预热法- - ( b u m o f f - s t a b i l i z e dl a s e rb e a mo x y g e nc u r i n g1 1 9 9 2 年，在一方法由德国学者f r a n k 等人提出1 5 7 1 具体是在传统切割前沿 添加预热火焰( 图1 5 所示) 或采用分柬激光( 图1 - 4 所示) 。预热火焰和分柬激 光添加的结果，使得工件表面超过燃点1 0 0 0 c 的区域要比氧流作用区大，因而 可维持准稳态燃烧过程。同时，可对预热氧起预热作用，有利于维持压力和纯 度他们切割了3 0 r a m 厚钢板，功率为4 9k w ，切割氧气压力为3 2 b a r ，切速 0 巍；菇鞫墓漱躲懑葭蕊誊溢蠡i 一 华中科技大学硕士学位论文 为0 9 m m i n ，平均表面粗糙度为3 6 1 t m 。切割1 5 r a m 钢板，功率为2 1k w ，气 压为3 0b a r , 切速1 2m m i n ，平均表面粗糙度为2 0 um 。采用预熟法切割，表面 平整无粘渣、切痕窄、热影响区小，切速可提高3 0 5 0 。据分析，采用这一 方法，使用1 2k w 激光器可切割厚度可达8 0 m m 。但这一方法的主要缺陷是设 备必须进行改造，另外切边会出现塌角等。 图1 4 分束激光预热法示意图 图1 5 气体火焰预热法示意图 一一 9 增镕麟键t ，池。 + ； 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 激光锯切法 由德国学者m g e i g e r 等1 9 9 6 年提出【5 引。图1 6 为激光锯切加工示意图 工作时，随着自适应反射镜面的周期性变化，使得聚焦量在板材厚度方向几个 毫米内振动，从而可获得高质量切缝。切割s 7 3 71 5 r a m 钢板，功率1 9k w 、 氧气压力1 1x 1 0 5p a 、切速o 7 5 m m i n 、喷嘴端部到工件距离为i m m ，焦距上下 移动量4 5 r a m 、振动频率1 0 0 h z ，测得表面粗糙度也为1 0 l lm 。当频率大于5 0 h z 时，激光锯切法的r z 值小于一般激光切割。两种方法的切痕宽度均为4 0 0 - - 4 5 0 1 1m 。锯切法需要一套复杂的光路系统，其切割厚度不超过3 0 r a m 。 图1 - 6 激光锯切法示意图 ( 3 ) 双聚焦法( 图l 一7 所示) 采用特殊镜使激光束在板材的不同厚度聚焦，图中d 1 为透镜中心部直径， d 2 为边沿部分直径，上焦点位于工件表面。下焦点为于工件下表面附近，上焦 点有利于引燃，下焦点则有助于消除挂渣f 5 9 1 。这一方法切割热量较高。但透镜 加工复杂。且当工件厚度变化时，要时常变换透镜 1 0 鑫湖敞誊隧；感錾静墙霸灌漱燕删。，： 华中科技大学硕士学位论文 图1 7 双聚焦法示意图 图1 8 散焦法示意图 ( 4 ) 散焦法 由英国l i v e p o o l 大学w o n e i l l 等人提出6 0 川】。他们也是世界上唯一报 道研究这一方法的学者。如图i - 8 所示，激光焦点位于喷嘴内部而不是工件表面。 i 菇钠；， i 蕊。转。矗垂h 华中科技大学硕士学位论文 这样激光照射到工件上是发散的。通过调节离焦量保证照射到工件上的激光直 径大于氧气流直径。这样才能保证切割前沿的温度高于1 0 0 0 c ，从而实现稳定 燃烧和切割。采用这一方法，选用参数l k w 、8 x 1 0 5 p a 、距离3 m m 、切割5 0 r a m 和2 0 m m 钢板，效果良好。这种方法设备简单、切割过程稳定，但最佳速度较 低。切割5 0 m m 钢板的最佳速度为1 7 5 m m m i n 左右。 1 3 本文主要研究内容 传统的助氧激光切割方法可以切割1 2 m m 以下的钢板【5 7 6 0 6 ”，但如果要切 割更厚的钢板，则需要更大功率的激光器。例如，要切割2 0 r a m 厚钢板，激光 器功率应为2k w ：切割5 0m m 钢板，功率应在5 k w 以上。根据文献1 6 2 j 统计， 我国现有进口的1 6 3 台轴快流激光器中，功率小于lk w 的占1 0 ，功率位于1k w 到2 5k w 范围的占8 0 。而所有激光器中9 1 5 应用于切割。可以看出，我 国中小功率激光器在切割加工中占主流。 由于在造船、钢结构、桥梁、压力容器等行业常常用到厚度1 2 m m 以上的 钢板，而使用的激光器功率偏小。因此研究中小功率c 0 2 激光切割技术，对于 扩大现有激光设备的应用领域，推广先进加工技术，提高产品的质量和经济效 益，具有十分明显的现实意义。 从前面的分析可以看出，在厚板切割方法中预热法、锯切法或双聚焦法等 都对设备有较高要求，投资较大，无助于提高现有激光器的应用潜力。采用散焦 法可以保证较稳定燃烧。而采用超音速喷嘴则可消除激波对切割的不良影响”。 1 6 h 7 ，另外超音速喷嘴的内腔为收敛一扩散型，而散焦法激光束也为收敛一扩 散型，两者结合起来，可以克服一般收敛型内腔容易烧喷嘴现象，应是一种理 想的厚板切割方法。图1 9 表示散焦激光通过超音速喷嘴情况。由于散焦法目 前只有英国l i v e p o o l 大学w 0 n e i l l 等人进行了研究报道( 从目前资料搜索 结果如此) ，而在其论文中并没有明确使用了何种喷嘴。其理论分析也过于简略、 并且也不完善，因此开展这方面的研究工作，不仅有较大的实际应用价值，而 且有一定学术意义。 1 2 交滋邃漱霜酸纛i 羹羹澈籀豫毒。沁， 华中科技大学硕士学位论文 本文将对散焦法进行了较为系统的实验研究，确定切割参数如激光功率、 切割速度、散焦光斑直径、气体压力及纯度等对切割质量影响规律。由于现有 的解析模型存在较多缺陷，为了确定切割的稳态工作条件并预测切割速度，本 文将对温度场的解析模型进行研究。另外还要进行温度场数值模拟以确定切割 速度不可调节情况下的最大切割速度。并对切割本质有更深刻的了解。 图】一9 超音速喷嘴示意图 溅 n 滋，薛滋 华中科技大学硕士学位论文 2 散焦法原理 由于氧助激光切割与气体火焰切割有密切关系，因此有必要对后者的原理 和特点进行简要分析。 2 1 气体火焰切割原理 钢材的氧气切割过程是：借助预热火焰将钢材加热到燃点温度1 0 0 0 1 2 以 上，并使其成活化状态，然后送进高纯度、高速度的切割氧流，使铁在氧中剧 烈燃烧熔化，同时借助于高速氧流的动量将燃烧生产物( 主要是熔融的氧化铁) 吹出。从而形成切缝。通常分成三个阶段： ( 1 ) 在钢材上部，铁和氧开始燃烧反应； ( 2 ) 铁和氧的燃烧反应向钢材内部传播： ( 3 ) 去除反应生产物，形成切缝。 由此可见，气割的实质是铁在氧中的燃烧反应而不是铁的熔化。研究表明， 切割时8 5 的能量来自反应热，只有1 5 由预热火焰提供。由此可见，铁氧反 应热是气体切割的主要熟源。 由于钢材氧气切割过程的实质是铁在氧中燃烧，因此，铁氧反应速度将直接 影响切割速度。目前，关于气体切割的机理主要有以下两种f “6 5 】： ( 1 ) 熔融钢中的铁扩散理论 这种理论将切割区域分成四个区。见图2 1 。并认为燃烧是由熔融钢中的 铁通过氧化铁层与切割氧相结合而发生的。并假定铁向熔融氧化铁层的扩散速 度远远大于切割氧相应的扩散速度，也就是说绝大部分燃烧反应是在熔融氧化 铁与切割氧流之间的分界上进行的再有，因固体钢与熔融钢之间的表面张力 大于熔融钢与熔融氧化铁之间的表面张力，因此，切割时首先被去除的是氧化 铁熔渣层。由此可以推知，如果减薄熔融氧化铁层的厚度，铁的扩散量增多， 铁氯反应速度加大，切割速度提高。由于反应区的熔渣靠切割氧流的动量去除， l ；。墓湖滋黼漓蘸羹隧囊i 溅鲑毒嬲；“_ 华中科技大学硕士学位论文 所以，动量越大，排渣能力越强，切割速度越大，可切割钢板越厚。 ( 2 ) 氧流中氧的扩散理论 这种理论的模型如图2 2 所示。并认为氧从切割氧流中借助扩散作用到反 应面与铁反应。在氧流中必然含有一定量杂质气体并设其分压为p 2 ，这些杂质 气体与氧一起向反应面扩散。这两部分气体一达到反应面氧就与铁反应而消耗。 那些杂质气体因不与铁反应而残留在反应面近旁。于是在切割氧流与反应面之 间形成一个杂质浓度逐渐变化的边界层( 与反应面最接近处杂分压最高，设其 值为p 1 ) 。假定氧通过这一边界层的扩散速度远比铁与氧的反应速度小，这样， 反应速度就取决于氧的这一扩散速度。根据这一理论，要提高切割速度，必须 提高切割氧的纯度和减薄边界层的厚度，而要减薄边界层的厚度就必须提高氧 流的雷诺数，也就是说氧的流速要高。由此可知，超音速喷嘴的使用可以提高 切割速度。当然，上述两种理论都有一定片面性，把它们结合这一起就可以说 明切割氧流的纯度。动量、和流速等因素对切割速度的重要影响。 s ) 麓 嬲 嘉蠹 瑶盎铜撼叠锕熔融曩他鞠切割囊涟 圈2 1 气割反应区模型 华中科技大学硕士学位论文 2 2 散焦法原理 f j 图2 2 切割氧流边界层模型 2 2 1 厚板切割主要问题 与气体火焰切割相比，氧助激光切割厚板过程中激光的主要作用是预热钢 板。其作用与气体火焰相似。氧助激光切割厚板的本质仍然是铁在氧中的燃烧 反应。从燃烧角度讲，激光至少起到如下作用1 6 6 】： ( 1 ) 在燃烧开始前将起割点钢板温度加热到燃点温度，使之能够燃烧； ( 2 ) 在切割过程中补偿切割区因热热传导、辐射、去渣等引起热损失以保 证切割区的温度； ( 3 ) 在切割过程中将紧靠切割前沿的钢板加热到燃烧温度，以使切割过程 不断进行。 对切割时喷出物研究表明【4 7 4 8 1 ，氧化产物的9 7 6 为f e o ，其余为f e 2 0 3 和 f e 3 0 4 ，f e 燃烧生成f e o 的反应焓为2 5 7 5 8 k g m o l ，计算可知每k g 铁完全燃烧可 以产生4 7 1 6 k j 的热量。由于切割时约有5 0 铁完全燃烧，因而可以计算出不同 板厚，切缝宽度及切割速度情况下，燃烧提供的能量。 6 2 0 3 0 4 0 2 2 2 5 2 7 5 0 0 4 0 0 3 0 0 7 5 8 1 9 8 能量分析表明，切割所需最小能量由加热工件的能量、使工件熔化的能量、 热传导损失的能量和氧流带走的能量组成。用激光切割2 0 r a r e s t 5 2 钢板所需能量 为5 1 5 2w ，而燃烧放出热量为7 5 3 6 w 。也就是说6 8 4 的燃烧能量就足以提供切 割所需全部能量【5 7 1 。因此，从理论上讲，只要氧气供应充足，可切割板厚不受限 制。在实际切割过程中，能切割板厚是有限的。这与切割前沿铁不能稳定燃烧 有关。燃烧过程要持续稳定进行，切割前沿顶部温度必须达到燃点。单靠燃烧 反应放出的能量不足以维持燃烧过程稳定进行。原因有两个，一是切割前沿被 氧流连续冷却降低了温度；其二是燃烧生成物氧化亚铁覆盖了工件表面，阻碍 了氧的扩散。当氧浓度降低到一定程度时，燃烧过程会停止。使用传统会聚光 束进行切割时，由于作用区域小，激光功率高，所以不仅仅在激光辐射的区域 工件表面温度达到燃点温度；而且由于热传导，更宽的区域达到燃点温度。由 于氧流直径大于激光直径，不仅在激光作用区域要发生氧化燃烧反应，而且在 激光光斑外围也会发生燃烧。厚板切割时，切割速度较慢，工件燃烧速度比切 割头前进速度快；这样燃烧持续一段时间后，由于氧浓度下降、并且氧流前沿 温度低于燃点温度，燃烧熄灭。当切割头前进到该位置时，燃烧重新开始。这 种燃烧过程的周期性变化导致切割前沿温度波动，切割质量下降。 2 2 2 散焦法实验装置示意图 当采用散焦法进行切割时，焦点不是位于工件表面而是位于喷嘴内部，这 样激光照到工件上不是聚焦的而是发散的。图2 3 是散焦法实验装置示意图。 1 7 5 1 菇f ：。，+ 。氯。、 “；翻癌。“ 华中科技大学硕士学位论文 图2 3 散焦法实验装置示意图 照射到工件上的光斑直径可以由下式求出： w 2 = w f ? + s ) f 其中：w 为镜片直径，为镜片焦距，为焦点到喷嘴端面距离，j 为喷嘴端 面到工件距离。 2 2 3 厚板切割的稳态工作条件 合理调节焦点位置，保证作用在工件上的光斑直径大于氧流直径即w 2 w 。、 并在一定功率和一定速度下确保燃烧前沿温度在燃点以上，燃烧可稳定进行， 切割质量高。在散焦法切割过程中i 帆6 1 1 ，激光的主要作用不是在深度方向提供 热量熔化金属而是将被切割金属表面加热到燃点( 约为1 0 0 0 c ) 以上。 捌灞疆黼瓣菇l 霾隧j ；缀西，。j ：勰繇聂 华中科技大学硕士学位论文 。 口 一 刳 赡 瞎 掰 中心线位置( - _ ) 翻2 4 表面温度与光斑直径关系( 扳厚2 ( ) m - 激光功率i l o o w 切割速度4 8 0 n m jn ) 为了说明散焦法作用，笔者根据计算结果绘制了示意图2 - 4 。表示光斑直 径与钢板表面温度的关系。图中横坐标表示沿移动中心线方向表面某点与光斑 中心的距离，纵坐标表示该点表面温度。图中考虑了聚焦集中光斑，2 5 r a m ，3 r a m 及4 r a m 等四种光斑作用。其他参数为：板厚2 0 r a m 、激光功率1 1 0 0 w 、切割速 度4 8 0 m m m i n 。散焦光斑计算结果为有限元软件a n s y s 5 6 计算分析获得，而 n，、 集中光斑结果则是根据r o s e n t h a l 公式丁= j 鲁e x p | 一兰l 经解析计算获得。可 2 r c k r l 口 以看出：光斑直径越小，高温区越集中于中心区：光斑直径越大，温度沿距离 方向下降越平缓。根据经验，切割2 0 r a m 以上厚板一般使用2 r a m 以上出口直径喷 嘴，切缝宽度在2 m m 以上。而集中光斑热源在前沿i m m 处温度小于6 0 0 ，远 远小于燃点温度1 0 0 0 ，板材不能形成稳态燃烧。因此中小功率集中激光热源 不适合切割厚板。当散焦光斑直径过大时，例如4 r a m 以上时，由于板材表面光 斑作用区内整体温度较低，也不适合切割厚板。而2 5 r a m 光斑在1 2 5 r a m 范围 内能达到燃点，3 r a m 光斑在1 5 m m 范围内能达到燃点。因而这两种直径光斑适 合切割厚板。而且，比较而言，3 r a m 光斑更适合切割厚板。由此计算可以得出 这样一个结论：即切割功率达到一定值( 例如1 i o o w ) ，切割速度在一定范围之 内( 例如小于4 8 0 m m m i n ) ，光斑直径在一定范围( 例如2 5 r a m 、3 r a m ) 时可以切割 厚板。 1 9 ；。二鑫蠹：涵i 菇蓬 一1 华中科技大学硕士学位论文 3 切割温度场解析模型 目前，描述激光切割温度场的解析模型较少o 川。有些还借用了激光焊接 温度场模型【l i 。事实上切割温度场与焊接温度场有明显不同。 ( 1 ) 焊接过程中只有一个热源即激光热源，而氧助激光切割过程中除了激 光热源外还有铁氧燃烧反应提供的热量。 ( 2 ) 切割过程中熔融物质被吹出时带走了大量能量，因而在计算时必须考 虑。而目前许多模型均忽略对流、辐射、及熔渣去除所带走热量。 ( 3 ) 由于形成切缝，板料连续性被破坏，而焊接后板料是连续的。 ( 4 ) 在现有模型中，切割薄板时采用线状热源，厚板时采用点状热源。没 有考虑激光热源为高斯分布特点，与实际情况出入较大。 ( 5 ) 另外高斯分布热源与点状热源、线状热源及面状热源相比，很难导出 具体函数解【6 7 , 6 8 , 6 9 , 7 0 , 7 1 】。温度场只有在个别情况下可用初等函数表示。 因此建模时做出以下改进： ( 1 ) 考虑双热源 ( 2 ) 在计算时，考虑熔渣去除带走的能量 ( 3 ) 由于形成切缝，板料连续性被破坏，为了简化计算，模型仍认为连续。 ( 4 ) 考虑到散焦法切割过程中，散焦激光主要加热表面，而最终形成了切 缝，因而在模型中视燃烧热源为线状热源并且减去熔渣去除带走的能量。 3 1 切割过程的能量平衡 切割所需最小能量由加热工件的热量、使工件熔化的能量、材料汽化所需 能量、热传导损失的能量、氧流带走的能量、辐射损失能量以及对流损失能量 组成。即： f = 叫也一瓦) + 钐+ 吲圳k 。一l ：( 圹 + c ，白，一所，阮，一l ) + f ，盯r 4 + 善s 眈一l ) ( 3 i ) 其中： 2 0 华中科技大学硕士学位论文 p 为切割所需最小能量 v 为切割速度； w 为切缝宽度； h 为板材厚度； p ：材料密度：