激光切割的研究现状及展望.pdf

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1、激光与光电子学进展年第期总第199期84(388)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1967sullivHou一deroft[`],。自从年an和首方法用于主产成品零件关于

2、提高激光切割,P..iP、先提出并实现用吹氧法进行金属的气体激光质量的方法iDetor闭从光束的监控激,、、切割以来激光切割以其切割范围广切割速光和材料切割区的直接质量监控激光切割度高、切缝窄、切割面粗糙度低、热影响区小、过程的模拟和整机性能的提高四个方面进行热畸变小、加工柔性好、可实现众多复杂零件了归类研究。对于前两者可参阅文献【s];对,,的切割等优点而成为现代工业应用中的第一于后两者特别是第三种方法本文拟重点阐大户。在美国、德国、日本等发达国家,因其汽述。车工业的发达而使用比例达60。2.1%以上z[]

3、激光平面切割过程的模拟激,光切割的研究已进行三十年本文从激光切割过程是一个极其复杂的热加工、,、提高平面激光切割质量的方法激光切割表过程涉及到材料激光束和切割气体三者间面条纹形成的不同解释、二维和三维激光切的复杂相互作用。为了全面、深刻地理解这一割的区别三个方面对激光切割的研究现状进复杂过程以及能建立起各种操作变量与影响。,行综述最后阐明了激光切割研究目前存在激光切割质量参数的定量关系式进行过程。。的问题及应采取的措施模拟是十分必要的这也是提高切割质量的重要手段。2提高激光平面切割质量的方实际激光切割过程受到

4、众多因素的强烈法,: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在国外由于激光切割加工机整体性能振态等;设备操作系统如光束传输、喷嘴类的优异而将激光切割看成是一种精密的制造型、辅助气体种类和压力、光束聚焦、光束偏,、国家自然科学基金资助项目移和进给速度等;被切割材料的热传导性扩:199收稿日期7一12一08、、、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年第期总第期19984(38、,的形成放热化学反应对反应气体辅助切割料在气化(温度处从固态转变为气态一步完。;而言

5、和相应的粘度等由于涉及如此多)的参成61[气化材料不干扰到达材料表面的激光,,因此激光切割是一个高度非线性过程6[一7〕;数要束忽略切缝内激光束的多次反射效。,··,[6吕2`5一““,2`2`一’5〕;精确地预测或分析它是相当困难的不过国〕;[应忽略对流和辐射损失7、、内外众多学者还是前赴后继地研究这一问6[一〕圆柱型va[〕假定入射的激光束为高斯型,,目的是建立一些合适的激光切割模型以〕;题线型田等热源激光束被材料按菲涅耳定律。,国〔’“3;〔`。〕;便解释和控制激光切割过程到目前为止吸收不考虑热传导和熔

6、化流问题进、、内外已公开发表的从不同方面不同层次上入切缝内的气流是层流、亚音速、无旋运动。〔’`〕;〔“〕;模拟激光平面切割过程的论文相当多具体等切割面是倾斜面熔化表面是平:情况如下〔”〕;;面忽略气体电离效应:[]忽略熔化热或..,211〔2’’5〕;模型的分类气化热固/液交界面温度等于材料熔按解的性质可将激光切割模型分为解析〕;〕;化温度哪不考虑激光束的偏振效应咖熔。,。模型和数值模型两大类到目前为此绝大多化材料完全去除s2[〕等,数学者研究的是数值模型只有极少数学者2.1.3.2建模时所列方程5。涉足解

7、析模型4[一〕,由于不同研究者研究的内容不尽相同,,按切割方法分可分为汽化切割模故所列的方程也不尽相同概括起来主要有,、·型[`6一“][5’“一’“〕和熔化切割模型反应气体辅能量守衡方程(包括热传导方`“一2“〕。`’一’“,”·’`一’甘,2“’·”3一5·228,30·32一“`·36一“9、助切割模型.s[程[卜2卜])动,,’6,·,、按研究的维数分可分为一维平面切割”外36川量守衡方程.s[质量守衡方、,,,·,模7[,20,2.225)〔5’2,6,53638〕型二维平面切割模程和边界条件方··

8、,,,,4一““一“’`’’““`2`”7一29,····,,·,·型[卜〕和三维平面切割[9“一`2’`一’”’20”`一252”日303,”`”’9]程卜卜卜四,,·。[8’“’“一’6“o一33〕模型类。..212模型所采用的计葬方法2.1.3.3模拟的内容,在建立好物理模型后采用何种求解方,综观国内外学者模拟的内容大致可分。目前主要采:;法是一个极其重要的研究内容为三类以预测为目标以计算工艺