激光熔化切割中切面上部条纹产生机理的分析

  收稿日 期：２０１３－ ０２－２１；收到修改稿日 期：２０１３－ ０７－１４作者简介： 胡关虎（１９８５－）， 男 ， 硕士研究生， 主要是做激光切割工艺建模和分析方面的研究。Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ：ｈｕｇｕ ａｎｈｕ＠ｇｍ ａ ｉ ｌ．ｃｏｍ导师简介： 胡俊（１９７５－）， 男 ， 博士， 副教授， 主要是做激光加工工艺和装备方面的研究。 Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ：ｈｕ ｊｕｎ＠ｓ ｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ＊通信作者： 胡俊，Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ：ｈｕ ｊｕｎ＠ｓ ｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ第３３ 卷第５ 期 应 用 激 光Ｖ ｏ ｌ．３３，Ｎｏ．５２０１３ 年１０ 月ＡＰＰＬ ＩＥＤ ＬＡＳＥＲＯ ｃ ｔｏｂ ｅ ｒ ２０１３激光熔化切割中切面上部条纹产生机理的分析胡 关虎，胡 俊＊（上海交通大学机械与动力工程学院， 上海２００２４０）摘要条纹是切面上决定切割质量的主要结构， 切口上部条纹的主要特征是： 固液边界清晰， 表面上基本上没有二次凝固相， 厚度方向上近似垂直。 文中提出 了 瞬...

  收稿日 期：２０１３－ ０２－２１；收到修改稿日 期：２０１３－ ０７－１４作者简介： 胡关虎（１９８５－）， 男 ， 硕士研究生， 主要是做激光切割工艺建模和分析方面的研究。Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ：ｈｕｇｕ ａｎｈｕ＠ｇｍ ａ ｉ ｌ．ｃｏｍ导师简介： 胡俊（１９７５－）， 男 ， 博士， 副教授， 主要是做激光加工工艺和装备方面的研究。 Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ：ｈｕ ｊｕｎ＠ｓ ｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ＊通信作者： 胡俊，Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ：ｈｕ ｊｕｎ＠ｓ ｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ第３３ 卷第５ 期 应 用 激 光Ｖ ｏ ｌ．３３，Ｎｏ．５２０１３ 年１０ 月ＡＰＰＬ ＩＥＤ ＬＡＳＥＲＯ ｃ ｔｏｂ ｅ ｒ ２０１３激光熔化切割中切面上部条纹产生机理的分析胡 关虎，胡 俊＊（上海交通大学机械与动力工程学院， 上海２００２４０）摘要条纹是切面上决定切割质量的主要结构， 切口上部条纹的主要特征是： 固液边界清晰， 表面上基本上没有二次凝固相， 厚度方向上近似垂直。 文中提出 了 瞬时去除模型， 并给出 了 具体的 数学公式表示， 通过变量替换将方程求解大幅简化， 并采用差分法对其进行了 数值求解。 通过该模型分析了 条纹形状随着Ｐ ｅ ｃ ｌ ｅ ｔ ｓ 数、熔融层厚度、激光功率等参数变化的规律。 最后通过氧助激光切割碳钢实验对上述分析结果进行了 验证。 根据结果得出 ， 条纹形状与文中的分析结果极为类似， 二者随着切割速度的变化趋势的不一致大多数来源于 氧化反应的影响和分析中参数单独变化的假设。关键词熔化切割；条纹；瞬时去除；数学模型中图分类号： ＴＧ ４８５文献标识码： Ａｄ ｏ ｉ： １０．３７８８／ＡＬ ２０１３３３０５．５３６Ａｎ ａ ｌｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔｈ ｅ Ｆ ｏ ｒｍ ａ ｔ ｉｏｎ Ｍ ｅ ｃｈａｎ ｉ ｓｍ ｏ ｆ ｔｈ ｅ Ｕｐｐｅ ｒ Ｓ ｔ ｒ ｉａ ｔ ｉｏｎ ｏｎ ｔｈ ｅ Ｃｕ ｔ ｔ ｉｎｇ Ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ Ｄｕ ｒ ｉｎｇｔｈ ｅ Ｌａ ｓ ｅ ｒ Ｆｕ ｓ ｉｏｎ Ｃｕ ｔ ｔ ｉｎｇ Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓＨｕ Ｇｕ ａｎｈｕ，Ｈｕ Ｊｕｎ（Ｓ ｃｈ ｏｏ ｌ ｏｆ Ｍ ｅ ｃｈａｎ ｉ ｃａ ｌ Ｅｎｇ ｉｎ ｅ ｅｒ ｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａ ｉ ＪｉａｏＴ ｏｎｇ Ｕ ｎ ｉｖ ｅｒ ｓ ｉ ｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａ ｉ ２００２４０，Ｃｈ ｉｎａ）Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔＳ ｔ ｒ ｉ ａ ｔ ｉｏｎ ｉ ｓ ｍ ａ ｉｎ ｓ ｔ ｒｕ ｃ ｔｕ ｒ ｅ ｏｎ ｔｈ ｅ ｃｕ ｔ ｔ ｉｎ ｇ ｆ ａ ｃｅ ｗｈ ｉ ｃｈ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒｍ ｉｎ ｅ ｓ ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｓｕ ｌ ｔ ａｎ ｔ ｃｕ ｔ ｑｕ ａ ｌ ｉ ｔｙ． Ｔｈ ｅ ｍ ａ ｉｎ ｃｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆｔｈ ｅ ｕｐｐ ｅ ｒ ｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｔ ｉｏｎ ａ ｒ ｅ ａｂ ｓｅｎ ｔ ｏ ｆ ｒ ｅ－ ｓｏ ｌ ｉｄ ｉ ｆ ｉ ｅｄ ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ，ｄ ｉ ｓ ｔ ｉｎ ｃ ｔ ｓｏ ｌ ｉｄ－ ｌ ｉ ｑｕ ｉｄ ｉｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ａｎｄ ｎ ｅ ａ ｒ ｌｙ ｐ ｅ ｒｐ ｅｎ ｄ ｉ ｃｕ ｌ ａ ｒ ｓｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ． Ｏｎ ｅ ｄ ｅ－ｔ ａ ｉ ｌ ｅｄ ｍ ａ ｔｈ ｅｍ ａ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍ ｏｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｔｈ ｅ ｉｎ ｓ ｔ ａｎ ｔ ａｎ ｅｏｕ ｓ ｒ ｅｍｏｖ ｅ ｍ ｏｄ ｅ ｌ ｉ ｓ ｇ ｉｖ ｅｎ． Ｗ ｉ ｔｈ ｔｈ ｅ ａｐｐ ｒ ｏｐ ｒ ｉ ａ ｔ ｅ ｖ ａ ｒ ｉ ａｂ ｌ ｅ ｔ ｒ ａｎ ｓ ｆ ｏ ｒｍ ａ ｔ ｉｏｎ ｔｈ ｅ ｓ ｉｍｐ ｌ ｉ－ｆ ｉ ｅｄ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅｎ ｔ ｉ ａ ｌ ｅｑｕ ａ ｔ ｉｏｎ ｓ ａｎｄ ｂｏｕｎｄ ａ ｒ ｙ ｃｏｎｄ ｉ ｔ ｉｏｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｒ ａｎ ｓ ｆ ｏ ｒｍ ｅｄ ｔｏ ｏｎ ｅ ｗｈ ｉ ｃｈ ｃ ａｎ ｂ ｅ ｓｏ ｌｖ ｅｄ ｗ ｉ ｔｈ ｔｈ ｅ ｃｏｍｍ ｏｎ ｆ ｉｎ ｉ ｔ ｅ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅｎ ｃｅｍ ｅ ｔｈｏｄ． Ｔｈ ｒ ｏｕｇｈ ｔｈ ｉ ｓ ｍ ｏｄ ｅ ｌ ｔｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏ ｆ Ｐ ｅ ｃ ｌ ｅ ｔ ｎｕｍｂ ｅ ｒ， ｍ ｅ ｌ ｔ ｔｈ ｉ ｃｋｎ ｅ ｓ ｓ，ｌ ａ ｓｅ ｒ ｐｏｗ ｅ ｒ ｏｎ ｔｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｔ ｉｏｎ ｓｈ ａｐ ｅ ａｎｄ ｌ ｉｎ ｅ ａ ｒ ｓ ｉ ｚ ｅ ｂ ｅｇ ｉｖ ｅｎ． Ｆ ｉｎ ａ ｌ ｌｙ ｔｈ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓｅｎ ｔ ｍ ｏｄ ｅ ｌ ｉ ｓ ｖ ａ ｌ ｉｄ ａ ｔ ｅｄ ｗ ｉ ｔｈ ｔｈ ｅ ｏｘ ｙ ｇ ｅｎ ａ ｓ ｓ ｉ ｓ ｔ ｅｄ ｌ ａ ｓｅ ｒ ｃｕ ｔ ｔ ｉｎ ｇ ｍ ｉ ｌｄ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅｘ ｐ ｅ ｒ ｉｍ ｅｎ ｔ． Ｔｈ ｅ ｓ ｉｍ ｉ ｌ ａ ｒ ｉ ｔｙ ｏ ｆ ｔｈ ｅｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｔ ｉｏｎ ｓｈ ａｐ ｅ ａｎｄ ｒ ｅ ａ ｌ ｋ ｅ ｒ ｆ ｃａｎ ｂ ｅ ｏｂ ｓｅ ｒ ｖ ｅｄ ｆ ｒ ｏｍ ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｓｕ ｌ ｔ ｓ． Ｔｈ ｅ ｄ ｉ ｓａ ｇ ｒ ｅ ｅｍ ｅｎ ｔ ｏｎ ｔｈ ｅ ｂ ｅｈ ａｖ ｉｏ ｒ ｕｎｄ ｅ ｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅｎ ｔ ｃｕ ｔ ｔ ｉｎ ｇ ｓｐ ｅ ｅｄｏ ｒ ｉｇ ｉｎ ａ ｔ ｅ ｓ ｆ ｒ ｏｍ ｔｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｏｘ ｉｄ ａ ｔ ｉｏｎ ａｎｄ ｓ ｉｍｐ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅｄ ｐ ａ ｒ ａｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｃｈ ａｎ ｇ ｅ ａ ｓ ｓｕｍｐ ｔ ｉｏｎ ｓ ｉｎ ｔｈ ｅ ａｎ ａ ｌｙ ｓ ｉ ｓ．Ｋ ｅｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｆｕ ｓ ｉｏｎ ｃｕ ｔ ｔ ｉｎ ｇ；ｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｔ ｉｏｎ； ｉｎ ｓ ｔ ａｎ ｔ ａｎ ｅｏｕ ｓ ｒ ｅｍ ｏｖ ｅ；ｍ ａ ｔｈ ｅｍ ａ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍ ｏｄ ｅ ｌ０引 言激光切割研究了近３０ 年， 切面条纹和挂渣仍然是影响切割质量的重要的因素。 国内学者张永强［１］从侧边采用ＣＣＤ 摄像机对切割中的 火花簇特征进行了记录， 并将火花簇的特征和切割质量联系起来， 以此建立起切割质量的在线监测系统， 进而实现切割质量的闭 环控制。 日 本学者 Ｋｏ ｊ ｉ Ｈ ｉ ｒ ａｎｏ用８ ０００ Ｗ 的激光功率克服切口 窄的限制， 并通过高速摄像机对整个切割前沿进行了观察分析。 结果［２］通过采表明条纹是由切边上的熔融物产生不稳定所引 起，并通过热力学不稳定和流体动力学不稳定对其产生条件进行了估算， 最后得到 了 条纹波长和幅值的估算值。 Ｓ ｃｈｕ ｌ ｚ Ｗ纹形成的根本原因， 这主要是由 切口 上部基本上没有［３］认为激光功率波动是切口上部条二次凝固相的 事实所得到。 Ｍ ａｋ ａ ｓｈ ｅｖ Ｎ Ｋ切边上部Ｌ ａｐ ｌ ａ ｃ ｅ 压强对熔融物去除的影响更重要， 并通过一系列分析表明 切割前沿的上部并不能形成稳［４］认为定的熔融物流动， 得出 这样的条纹形成机理： 随着前６３５