激光切割的研究现状及展望.pdf

1、激光与光电子学进展19 98年第4期(总第3 8 8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43 0 074)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19 67年sulliva n和Hou一de roft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

2、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6 0%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:19 97一1 2一0 8方法,用于主产成品零件。关

3、于提高激光切割质量的方法,P.iD.i Pe to r 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

4、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38 5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

5、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7,2 0,2.22 5)、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一3 3。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;,3 3一川、有限差分方法5,8,

6、“一 8,2 303 5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6 j;材料在气化温度处,从固态转变为气态一步完成6 1;气化材料不干扰到达材料表 面的激光束6 一

7、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v a、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s 2 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“,”

8、一甘,2卜“”3一252卜2 8,3 032一“36一“9、动量 守衡方程.s”,6,外3 6,川、质 量守衡方程5,2,6,53 6,38和边界条件方程卜9,“一 2一”卜20”一2 52卜”日,3 0,3,”,”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s 0 1、预 测切割厚度3 238,卜、预测切槽深度6,3 2、预测切槽形状6 ,8、预测最大 穿透深度2 2、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2 4 和预

9、测功率密度、材料厚度、气流速度及 切 割速度之间的关系2 5 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l 2;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189 9年第4期(总第35 5期)厚度圈;计算辐射温度哪和切槽形状及温度场,5,3 3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l 9;研究由反

10、应气流引起的氧化层不稳定性问题2 0;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s z;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3 4;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

11、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3 j。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

12、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.Aa ra ta 1 提出横向燃烧理 论(thesidewaysburnsngthe ory),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.o ls en 3 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

13、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(liquidlayero seil lationthe ory)。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。wel l l s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.Iva rsonE SJ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

14、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.Pietro 6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19 98年第4期(总第38 8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1 979年在r P ima工业公司建成至今,特别是1 98 5年以后

15、,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)4 7、航天 航空(如三维形 状飞机面 板的激光切割等)l 8 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4 9 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

16、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.sh eg n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5 S。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