激光切割的研究现状及展望.pdf

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激光与光电子学进展1998年第4期（总第388期）梦幽告去去去去去架综合评述先祠阵侧卜州卜闷卜祠卜州阵闷卜求激光切割的研究现状及展望黄开金谢长生（华中理工大学材料科学与工程系,武汉430074）提要从提高平面激光切割质量的方法、激光切割表面条纹形成的不同解释、二维和三维激光切割的区别三个方面对激光切割的研究现状进行了综述.最后说明了激光切割研究目前存在的间题及应采取的措施.关键词激光切割,激光切割质量,三维激光切割目U舀自从1967年sullivan和Hou一deroft首先提出并实现用吹氧法进行金属的气体激光切割以来,激光切割以其切割范围广、切割速度高、切缝窄、切割面粗糙度低、热影响区小、热畸变小、加工柔性好、可实现众多复杂零件的切割等优点而成为现代工业应用中的第一大户。

在美国、德国、日本等发达国家,因其汽车工业的发达而使用比例达60%以上z。

激光切割的研究已进行三十年,本文从提高平面激光切割质量的方法、激光切割表面条纹形成的不同解释、二维和三维激光切割的区别三个方面对激光切割的研究现状进行综述。

最后阐明了激光切割研究目前存在的问题及应采取的措施。

2提高激光平面切割质量的方法在国外,由于激光切割加工机整体性能的优异而将激光切割看成是一种精密的制造,国家自然科学基金资助项目收稿日期:

1997一12一08方法,用于主产成品零件。

关于提高激光切割质量的方法,P.iD.iPetor闭从光束的监控、激光和材料切割区的直接质量监控、激光切割过程的模拟和整机性能的提高四个方面进行了归类研究。

对于前两者可参阅文献【s;对于后两者,特别是第三种方法,本文拟重点阐述。

2.1激光平面切割过程的模拟激光切割过程是一个极其复杂的热加工过程,涉及到材料、激光束和切割气体三者间的复杂相互作用。

为了全面、深刻地理解这一复杂过程以及能建立起各种操作变量与影响激光切割质量参数的定量关系式,进行过程模拟是十分必要的。

这也是提高切割质量的重要手段。

实际激光切割过程受到众多因素的强烈影响,这些因素包括:

光束特性如功率模式（连续或脉冲）、功率密度、光束模式和光束偏振态等;设备操作系统如光束传输、喷嘴类型、辅助气体种类和压力、光束聚焦、光束偏移和进给速度等;被切割材料的热传导性、扩散性、熔化温度、熔化和汽化潜热、等离子体激光与光电子学进展1998年第4期（总第385期）的形成、放热化学反应（对反应气体辅助切割而言）和相应的粘度等。

由于涉及如此多的参数,因此激光切割是一个高度非线性过程,要精确地预测或分析它是相当困难的。

不过国内外众多学者还是前赴后继地研究这一问题,目的是建立一些合适的激光切割模型,以便解释和控制激光切割过程。

到目前为止,国内外已公开发表的、从不同方面、不同层次上模拟激光平面切割过程的论文相当多。

具体情况如下:

2.1.1模型的分类按解的性质可将激光切割模型分为解析模型和数值模型两大类。

到目前为此,绝大多数学者研究的是数值模型,只有极少数学者涉足解析模型4一5。

按切割方法分,可分为汽化切割模型,6一“、熔化切割模型5“一“和反应气体辅助切割模型.s“一2“。

按研究的维数分,可分为一维平面切割模型7,20,2.225）、二维平面切割模型4一“一“,卜“,“,2,”7一29和三维平面切割模型8,“,“一6“o一33。

2.1.2模型所采用的计葬方法在建立好物理模型后,采用何种求解方法是一个极其重要的研究内容。

目前主要采用了有限元方法;,33一川、有限差分方法5,8,“一8,23035和边界元方法9三种。

2.1,3模型研究的内容2.1.3.1建模前的假设由于激光切割是材料、激光束和切割气体三者交互作用的结果,在这一过程中涉及到的内容极其广泛“,3,6,36,因此要建立在一个模型中,至少目前是不太现实。

为了便于研究,国内外学者根据研究的内容不同,提出了各自的假设:

如假设工件材料的移动速度不变和工件材料是各向同性的卜8;工件材料的物理性能如热导率、比热和密度等不随温度的变化而变化卜g,32;工件材料不透明卜8;材料对光束的吸收率为常数6j;材料在气化温度处,从固态转变为气态一步完成61;气化材料不干扰到达材料表面的激光束6一7;忽略切缝内激光束的多次反射效应6,吕2;忽略对流和辐射损失5一“,2,2一5;假定入射的激光束为高斯型6一7、圆柱型va、线型田等热源;激光束被材料按菲涅耳定律吸收“3;不考虑热传导和熔化流问题。

;进入切缝内的气流是层流、亚音速、无旋运动等;切割面是倾斜面“;熔化表面是平面”;忽略气体电离效应:

;忽略熔化热或气化热2,5;固/液交界面温度等于材料熔化温度哪;不考虑激光束的偏振效应咖;熔化材料完全去除s2等。

2.1.3.2建模时所列方程由于不同研究者研究的内容不尽相同,故所列的方程也不尽相同,概括起来主要有能量守衡方程（包括热传导方程）一“,”一甘,2卜“”3一252卜28,3032一“36一“9、动量守衡方程.s”,6,外36,川、质量守衡方程5,2,6,536,38和边界条件方程卜9,“一2一”卜20”一252卜”日,30,3,”,”9四类。

2.1.3.3模拟的内容综观国内外学者模拟的内容,大致可分为三类:

以预测为目标;以计算工艺参数为目标和以研究综合现象为目标。

以预测为目标的模拟包括预测温度场画3。

、预测热影响区大小s01、预测切割厚度3238,卜、预测切槽深度6,32、预测切槽形状6,8、预测最大穿透深度22、预测进入切割工件的功率损失比、预测最大切割速度和切缝宽度24和预测功率密度、材料厚度、气流速度及切割速度之间的关系25等。

以计算工艺参数为目标的模拟包括计算最大切割深度和平均吸收系数。

;计算熔化层厚度及其流速,幻;计算三维切割面几何形状和讨论决定切宽的物理机制l2;计算对流、辐射、气体吸收、热传导和切割消耗等能量大小3;计算切割面温度、熔化层速度及激光与光电子学进展1899年第4期（总第355期）厚度圈;计算辐射温度哪和切槽形状及温度场,5,33等。

以研究综合现象为目标的模拟有:

研究扩散控制放热反应的影响川;研究气流和工件间动量及能量的定量交换问题;研究由惰性气流引起的熔化物喷射动力学模型熔化流流体不稳定性l9;研究由反应气流引起的氧化层不稳定性问题20;研究将激光源看成变长、变热强移动线热源,进行激光切割过程温度场模拟2;研究熔化流的线性稳定性问题sz;研究金属激光切割中的热传导损失问题即;研究激光切割中的能量再分配问题卿;研究材料去除过程行为及其对切槽形状和尺寸的影响34;研究在反应气体辅助激光切割中,cNc运动和工件边界对切割面迁移率和温度的影响一8;研究激光切割期间,因气体传送运行引起气体不纯而对切宽及切深的影响“;研究平面曲率对切缝形状的影响川;研究激光切割中的热影响间题哪等。

.22整机性能的提高为了实现日益复杂化的零件激光切割,就需要提高整机的通用性,以便适合各种形状零件的激光切割。

其一是根据加工速度自适应地控制激光功率和激光模式3j。

这种方法被用来校正拐角处,因方向改变而导致实际速度趋近于零的情况。

因为此时若激光功率保持不变,会导致拐角处因过热而熔化掉。

此外,发现对拐角进行切割时,采用脉冲模式会产生比连续模式好的切割质量;其二是发展电容式圈、接触式3和光学式3,2三种喷嘴到工件间隙的控制装置。

为保证切割过程的稳定,必须使这个距离保持不变;其三是建立工艺数据库和专家自适应控制系统s。

3板材激光切割表面条纹形成的不同解释人们在研究板材激光切割机理时,重点研究了激光切割表面条纹形成问题,因为它的形成严重影响激光切割的表面质量。

目前人们对这一动力学效应还存在如下的不同看法:

（1）日本学者Y.Aarata1提出横向燃烧理论（thesidewaysburnsngtheory）,认为条纹形成是切割速度小于氧化反应向前移动速度所致。

这种现象用高速摄像机已经拍摄到,但它不能解释为什么在高速切割条件下,条纹依然存在之原因。

（2）F.0.olsen3认为在切割面后的薄熔化层可作为波形成条纹,因为切缝中的熔化物被气流周期性地吹掉。

但它不能解释靠近切割上表面条纹细,而靠近切割下表面条纹粗同时存在之原因。

（3）n.schuoeker,在其发表的多篇论文中,提出周期性条纹形成是熔化液层振动优先于熔化层被气流从切缝中吹走之观点,这就是所谓的液体层振动理论（liquidlayeroseillationtheory）。

认为激光吸收功率的瞬时波动能诱导液层厚度和液层温度的波动,并可以计算出这种周期性条纹的波长和深度。

但也表明,在特殊情况下,即使没有吸收激光功率的波动发生,液层也能以一种自然频率振动。

J.P。

wellls利用这种理论,采用与条纹自然频率相同的脉冲激光,实现了具有极小表面粗糙度的激光切割表面,采用脉冲激光切割技术是目前比较热门的研究方向阳。

“）A.IvarsonESJ从氧化动力学角度研究了送气条件下激光切割表面条纹形成与周期性氧化反应的关系,认为条纹形成是由钢氧化性质决定的。

（5）M.vseanek”和G.simon20分别研究了激光熔化切割和激光反应气体辅助切害,发现辅助气体的气流可引起熔化流的不稳定,并认为这种不稳定性是切割面条纹形成之源。

（6）P.Di.Pietro6认为条纹形成是横向燃烧理论和液体层振动理论的综合。

在反应激光与光电子学进展1998年第4期（总第388期）气体辅助激光切割中,这二者均存在;在惰性气体辅助激光切割中,只有后者存在。

4二维和三维激光切割的区别从世界上第一台五轴激光切割机（主要用于轿车内部塑料元件切割）于1979年在rPima工业公司建成至今,特别是1985年以后,随着三维五轴激光加工系统的发展和日益完善,三维激光切割已在汽车制造（如车身原型机和汽车排气管的激光切割等）47、航天航空（如三维形状飞机面板的激光切割等）l8等领域日益得到了广泛的应用。

这得益于三维激光切割具有能够缩短生产周期、节省原材料、提高工效、降低生产成本和获得高切割质量等优点们。

综合现有的文献49一“2报道,不难发现目前的三维激光切割研究主要集中在三维零件空间轨迹的实现和三维零件的切割工艺两个方面上。

对三维零件激光切割过程中的激光一材料一气体之间的交互作用即三维激光切割机理未作深入的研究,而三维激光切割和二维激光切割毕竟有不同之处,这主要表现在以下四个方面:

4.1重力影响不同在采用同轴喷嘴和加工头始终与工件表面垂直的条件下,对平面激光切割而言,重力方向始终与辅助气体喷射压力的方向一致;对三维激光切割而言,重力方向存在与辅助气体喷射压力方向不一致的情况,即重力方向g与喷射压力户成一定的夹角,用口表示,见图1所示。

这样一来,熔池内的流体平衡不再全靠通常的所谓体积浮力脚来维持,而是靠自由边界形变产生的表面张力维持。

故重力将对熔池形状产生重要的影响,从而影响切缝形状和表面粗糙度等衡量激光切割质量的指标。

事实上,有人s已研究过重力对焊接熔池形状的影响,发现高的重力场强列影响熔池对流,从而影响热传导、两相区的深度和宽度以及熔池的深度比。

这从侧面证实重力对熔池形状的影响是很大的。

4.2空间曲率半径的影响最近,P.shegn闭对平面曲线激光切割和平面直线激光切割进行了比较研究,发现平面曲率半径对切缝形状产生了重大影响。

但这是一个曲率半径对切缝形状的影响,而对三维激光切割而言,则同时存在多个曲率半径5S。

可以断定,这多个曲率半径对切缝形状等的影响肯定比一个曲率半径的影响要复杂。

事实上,人们已初步认识到在三维激光切割中,激