袁 偉，李占國，蔡云光

(1.長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022;2.長春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，長春 130022)

基于ANSYS的激光切割溫度場仿真

袁 偉1，李占國2，蔡云光2

(1.長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022;2.長春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，長春 130022)

激光切割過程復(fù)雜，影響因素較多，本文根據(jù)激光切割加工的特點(diǎn)，建立了激光切割的熱力學(xué)模型，并基于ANSYS有限元軟件進(jìn)行了切割過程的溫度場仿真分析，給出了激光切割參數(shù)對溫度分布的影響規(guī)律，為實際切割之前選擇最優(yōu)切割參數(shù)提供了理論參考。

激光切割;溫度場;切割參數(shù);仿真

0 引言

鋼板的切割是機(jī)械加工中的重要工序，傳統(tǒng)切割方法通常存在工件變形大、刀具磨損等缺陷，激光切割技術(shù)具有精度高、速度快、效率高、柔性好、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代切割加工技術(shù)的重要手段，被廣泛應(yīng)用。激光切割是復(fù)雜的光致熱過程，同時也是復(fù)雜的激光與材料相互作用的過程，而激光切割溫度場的分析是一個伴有相變過程的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題，對應(yīng)熱傳導(dǎo)微分方程的解析求解非常困難。同時影響切割質(zhì)量的因素有多個，因素間相互影響共同作用，導(dǎo)致實際加工中通過調(diào)整切割參數(shù)來控制切縫質(zhì)量非常困難。劉劍等基于ANSYS軟件進(jìn)行了脈沖激光切割A(yù)l2O3陶瓷板的仿真分析［1］，葉圣麟等進(jìn)行了激光切割脆性材料的溫度場模擬［2］。ANSYS軟件能夠解決各種穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、線性和非線性熱傳導(dǎo)問題，而參數(shù)化設(shè)計語言APDL，可進(jìn)行2次開發(fā)［3］。本文結(jié)合激光切割的實際加工過程，利用APDL語言編寫了模擬脈沖激光切割過程的溫度場分布的仿真程序，為實際加工中合理選擇激光切割參數(shù)提供了一種仿真分析方法。

1 激光切割的數(shù)學(xué)模型

激光切割過程中的熱物理特性變化比較復(fù)雜，一般為便于計算分析，假設(shè)被切割材料各向同性，熱物理性能參數(shù)與溫度呈線性關(guān)系，激光光束呈高斯分布，加工熱源為面熱源，切割中產(chǎn)生的煙對激光束是透明的，只考慮切割過程中的熱傳導(dǎo)與對流換熱作用［3，4］，根據(jù)高斯光束的分布特性可得激光熱源功率密度q的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:p為激光功率，v為光斑沿x軸正方向的移動速度，R為光斑半徑，τ為時間。

據(jù)以上假設(shè)，可建立激光切割過程的三維非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)微分方程:

式中:λ(T)為導(dǎo)熱系數(shù)，c(T)為比熱容，ρ為材料密度，T為材料溫度。

假定切割前材料各點(diǎn)具有均勻初始溫度T0，設(shè)初始條件為:

激光切割溫度場的計算通常需考慮以下兩類邊界條件:

(1)熱流密度:

(2)材料與周圍流體間的對流換熱:

式中:nx、ny、nz為邊界外法線方向余弦，h為對流換熱系數(shù)，Tw為材料表面溫度，Tf為周圍流體溫度。

2 溫度場仿真分析

2.1 切割模型與仿真流程

本文以Q235A鋼板為例，激光以恒定速率沿x方向進(jìn)行切割，建立的Q235A激光切割路徑模型如圖1所示，以xz面為對稱面，建立1/2有限元模型進(jìn)行分析。為使計算結(jié)果更加精確，對切割路徑附近區(qū)域進(jìn)行精細(xì)網(wǎng)格劃分的尺寸為0.2mm;為節(jié)省計算資源，離切割路徑較遠(yuǎn)的區(qū)域網(wǎng)格劃分相對稀疏，尺寸依次為0.4mm、0.8mm。采用映射網(wǎng)格劃分技術(shù)，單元類型為solid70，Q235A的密度為7860 kg/m3，熔點(diǎn)1468℃，比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的曲線如圖2所示，基于ANSYS軟件制定的激光切割溫度場仿真流程如圖3所示。

圖1 Q235A鋼板切割路徑

圖2 比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線

圖3 激光切割溫度場仿真流程圖

2.2 邊界條件的處理

取模型的對稱面為絕熱表面，其它表面為對流換熱表面，對流換熱系數(shù)取10。由于在模型上表面存在熱流密度和對流換熱兩種邊界條件，ANSYS分析中不能對同一單元的同一表面加載不同的邊界條件，故通過三維表面效應(yīng)單元SURF152將對流換熱作用加載到模型上表面。

2.3 熱源的加載

激光切割過程被分為若干載荷步，每個載荷步包括脈沖作用階段與間歇階段。在脈沖作用階段，將激光熱流密度以公式的形式加載到相應(yīng)作用區(qū)域內(nèi)進(jìn)行求解，每進(jìn)入一個新的載荷步，熱源中心向前移動一個步長，再次加載求解。在間歇階段，刪除熱流密度后進(jìn)行求解。

3 仿真結(jié)果及分析

在激光功率為400W，切割速度為6mm/s，脈沖寬度為5ms，頻率為125Hz的條件下模擬切割Q235A鋼板的過程，圖4為工件分別在脈沖作用結(jié)束的各個時刻的溫度場分布云圖。

由圖4知高溫區(qū)域分布在激光熱源的作用區(qū)，溫度由熱源中心向外依次降低，梯度較大;各時刻最高溫度分別為4311.73℃，6981.73℃、7161.1℃、7238.68℃，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料的熔點(diǎn)，達(dá)到熔點(diǎn)的材料在實際切割中將被輔助氣體吹除。隨著熱源的移動，熱能快速向材料內(nèi)部傳遞，熱影響區(qū)不斷增大，當(dāng)熱源離開后，被作用區(qū)域的溫度迅速降低到穩(wěn)定區(qū)間。

圖4 不同時刻工件溫度場分布云圖

圖1 中節(jié)點(diǎn) A(0.0008，0，0)、B(0.0016，0，0)在0 ～400ms內(nèi)的溫度-時間曲線如圖5所示，兩溫度曲線總體呈先升高后下降的趨勢，中間經(jīng)歷多次波動，形狀為鋸齒形，這是由脈沖的周期性施加引起的，因此節(jié)點(diǎn)的溫度變化符合實際激光切割時工件被快速加熱與冷卻的特點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)B在277ms時達(dá)到最高溫度7263.16℃，高于A在141ms時的最高溫度7076.68℃，這是由于激光作用到節(jié)點(diǎn)A時，熱能通過熱傳導(dǎo)作用向后傳遞，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)B的初始溫度升高所致。

激光功率與切割速度是影響激光切割質(zhì)量的兩個重要參數(shù)。實際切割時，當(dāng)其它參數(shù)確定后，隨著激光功率的減小，工件吸收的能量減少，導(dǎo)致切縫周圍區(qū)域的溫度降低;在一定的切割條件下，工件存在最佳的切割速度范圍，在該范圍內(nèi)隨著切割速度的提高，激光與材料的相互作用時間變短，實際輸入的激光能量減少，導(dǎo)致切縫周圍區(qū)域的溫度降低，切割效率提高。圖6(a)為597ms時刻切割速度取6mm/s，改變激光功率時沿切割路徑的溫度變化曲線。此時熱源中心位于3.6mm處，隨著功率由500W減小至400W，工件溫度降低，最高溫度由9061.5℃下降到7238.68℃，符合實際激光切割時激光功率的影響規(guī)律。圖6(b)為597ms時刻激光功率取500W，改變切割速度時沿切割路徑的溫度變化曲線。由圖知隨著切速由6mm/s增加至10mm/s，熱源中心由3.6mm處移動到5.8mm處，切割效率提高，同時工件溫度降低，最高溫度由9061.5℃下降到8234.9℃，符合實際激光切割時切割速度的影響規(guī)律。

圖5 節(jié)點(diǎn)A、B溫度變化曲線

圖6 改變切割參數(shù)時沿切割路徑的溫度曲線

4 結(jié)語

本文基于ANSYS軟件對脈沖激光切割過程的溫度場進(jìn)行了仿真，通過系統(tǒng)分析Q235A鋼板的溫度變化規(guī)律和激光功率、切割速度對其溫度分布的影響，表明仿真結(jié)果符合實際切割狀況，驗證了該仿真的可行性。

［1］劉劍，陸建，倪曉武，等.脈沖激光熱應(yīng)力切割A(yù)l2O3陶瓷板［J］.中國激光，2010，37(5):1398-1401.

［2］葉圣麟，馬軍山，黃鑫.激光切割脆性材料的溫度場模擬［J］.光學(xué)技術(shù)，2007，33(4):599-601.

［3］宋林森，史國權(quán)，李占國.ANSYS在激光打孔溫度場仿真中的應(yīng)用［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報，2006，29(4):19-21.

［4］寇淑清，王金偉，趙勇，等.脈沖激光加工連桿裂解槽的數(shù)值仿真［J］.吉林大學(xué)學(xué)報，2010，40(5):1256-1261.

Simulation of ANSYS-based Laser Cutting Temperature Field

YUAN Wei1，LI Zhan-guo2，CAI Yun-guang2
(1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China;2.College of Machinery and Vehicle Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

Laser cutting，with a number of influencing factors，is a complicated process.According to the characteristics of laser cutting，this paper establishes a thermodynamics model of laser cutting，makes a simulation analysis on the temperature field of laser cutting process based on ANSYS finite element software and gives the influencing rules of laser cutting parameters on temperature distribution，which provides theoretical references for choosing the best cutting parameters before practical cutting.

laser cutting;temperature field;cutting parameter;simulation

TG485

A

1009-3907(2013)12-1561-04

2013-10-23

袁偉(1987-)，男，河北廊坊人，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計理論與方法。

李占國(1961-)，男，山東汶上人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代機(jī)械研究及設(shè)計理論與方法、機(jī)械精密加工技術(shù)研究。

責(zé)任編輯:

吳旭云