激光切割过程的温度场模拟

张朝阳 樊嵘 张博

摘要：激光切割因切割速度快，加工精度高，切口宽度窄，适用范围广，而成为应用最广泛的激光加工技术。对激光切割过程的温度模拟，可以探究加工过程中不同的温度对切割过程的影响，从而优化加工工艺参数，提高激光加工过程时的加工质量。

关键词：激光切割;激光加热

作为主要的特种加工技术之一，激光切割因切割速度快，加工精度高，切口宽度窄，适用范围广，而成为应用最广泛的激光加工技术。激光切割加工的过程复杂，影响因素很多，本文主要分析激光切割加工过程中各阶段的能量变化以及对激光切割过程中温度场进行模拟，对优化加工工艺参数，减少实验费用和时间，提高加工质量具有重要的意义。

1 激光切割加工过程分析：

根据激光切割过程的不同物理形式，激光切割可分为汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制断裂切割四类。本文所研究的是在实际加工中应用最广泛的氧助熔化切割，其利用激光束将材料加热到燃点，并与辅助气体——氧气发生燃烧反应，所产生的热量与激光束共同作为切割热源，熔化切口部分的材料。

2 激光切割过程的阶段分析

通过分析激光切割过程中材料状态和能量平衡的变化，将其分为三个相互联系的阶段：第一阶段钢板被激光加热升温至燃点;第二阶段从Fe和O2发生燃烧反应开始至钢板被烧穿;第三阶段激光束和切割头连续移动，最終将钢板割开。针对每个阶段根据实验数据建立不同的表达式，来研究加工工艺参数对切割质量的影响，可以使理论模型与实际加工更加接近。

Plas：工件吸收的激光功率，Plas =A Pout

A：工件对激光的吸收率，第一阶段段的平均吸收率可取0.08左右

Pout：激光器的输出功率;

Qheat：激光照射处金属升温至燃点所消耗的热量

AT=Tb - To

m：激光照射处的金属质量

p：被加工材料的密度，

d：激光束聚焦后的焦斑直径

C：被加工材料的比热容

AT：钢板从环境温度到燃点温度的温升

Qcond：热传导所消耗的热量，也即为热传导温度场的热

μ：切缝金属中发生燃烧反应的Fe所占的比例，可取为60%：

m：单位时间反应区内金属的质量

Qhea+=mCAT

Qmelt：将切缝金属熔化所消耗的热量

激光切割加工温度场的模拟：

根据激光切割加工的过程分析以及建立的能量平衡表达式和温度场表达式，利用虚拟现实建模语言（ VRML，VirtualReality Modeling Language）对加工过程中反应区的温度变化进行动态模拟

具体模拟方法是：先根据温度场表达式计算出激光切割过程中温度变化的等温线，再根据各等温线和热源的距离建立由内向外的一层层等温实体的三维几何模型，再设定物理场参数、载荷参数和边界条件参数、划分网格，求解及后处理模块，模拟时，输入加工工艺参数，由时间触发器产生的时刻值计算各等温实体的温度，再根据色温度得到各种温度的颜色值，这样就能将温度随时间的变化表现出来。

3 总结与讨论

通过分析激光切割过程中加工能量的变化，将其分为相互联系的三个阶段，根据各阶段的能量输入输出关系，得出能量平衡表达式;然后结合实验数据的分析，确定相应的温度场热源形式，建立热传导温度场的表达式模型

根据所建立的表达式模型，对切割过程中的温度场变化进行了动态模拟，可以预测工艺参数改变引起的加工后果，从而优化加工工艺参数。

参考文献

[1]王家金，激光加工技术，中国计量出版社，1992.11.

[2]黄开金等，激光与光电子学进展.1998，4：1-8.