不锈钢薄板光纤激光切割质量特性及其多目标优化研究
发布时间：2022-01-19 00:06
国际社会日趋严重的能源与环境危机推动着汽车产业的不断升级,汽车制造趋于智能化、精密化,这对汽车制造工艺提出了严峻的挑战。光纤激光切割技术作为一种新型精密加工技术,可以有效的解决传统切割方法在精密零件加工的困难,不同于传统汽车制造过程中的下料冲孔,光纤激光切割在后加工中体现出很高的柔性。本文在国内外研究基础上,以激光切割不锈钢薄板质量特性作为主要研究对象,研究了激光切割参数对切缝宽度和表面粗糙度的影响,建立了激光切割质量预测和工艺优化模型。首先,根据激光切割能量平衡方程和热应力理论,通过ABAQUS有限元软件建立了激光切割不锈钢薄板的顺序热力耦合仿真有限元模型,得到了激光切割温度场。结合ABAQUS单元删除子程序得到了温度引起的应力场,从而实现了在辅助气体作用下吹除材料形成切缝的完整激光切割过程,并且分析了切割参数对于温度场和应力场的影响。其次,通过激光切割不锈钢薄板正交试验试,对不同激光功率、切割速度、气体压力和离焦量下的切割质量进行研究。使用激光共聚焦显微镜对切割后的材料进行了切缝宽度和表面粗糙度的测量。基于不同激光切割参数下的试验数据,得到了激光切割参数对切割质量的相互作用关系。最...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光切割在汽车制造的应用Fig.1.1Applicationoflasercuttinginautomobilemanufacturing
不锈钢薄板光纤激光切割质量特性及其多目标优化研究4（c）裂纹切割（d）烧蚀切割（c）Fracturecutting（d）Ablationcutting图1.2激光切割原理图Fig.1.2Schematicdiagramoflasercutting1.3国内外研究现状1.3.1激光切割工艺试验与仿真研究现状激光切割目的是分离即切断材料，材料切断后形成的最明显的特征就是切口或切缝，无论是切割金属材料还是非金属材料，切割后形成的切口特征是切割质量的重要评价指标。目前，对于激光切割过程和切割工艺的研究方法主要有试验和仿真。Araujo等人[12]在2024铝合金表面二氧化碳激光器切孔试验中研究了热影响区的形成机理，并且分析了热影响区域的微结构，发现在α-液相存在的情况下，HAZ在548到596摄氏度之间受到加热作用。对切口分析发现，切割过程中高氮气压力会形成三种类型的粗糙度，为了改善这种切割作用，改用不同波长和不同的功率来切割获得了更好的切割效果。Carpio等人[13]证明了激光加工过程中由于表面熔化而产生的表面粗糙度显著提高了激光处理后工件的疲劳性能。王彦飞等人[14]在激光切割铝合金薄板时发现，从切割截面喷射出的颗粒呈球形，具有较高的蒸发-熔融比，颗粒的平均直径因切割质量的提高而变校谢小柱等人[15]通过厚板的激光切割工艺试验，发现了切割深度与切割速度、激光功率、焦点位置之间的规律。陈乐[6]通过试验和仿真相结合的方法阐述了中厚板氧助激光切割流尝温度场仿真及切面条纹形成机理的关联，分析了切割形成条纹过程中的燃烧机理和影响条纹形成的重要因素。陈聪等人[16]开展光纤激光切割铝合金试验同研究了激光切割参数对切面粗糙度和挂渣长度的影响规律。从上述研究可以看出，试验方法主要针对激光切割过程中切口形成机理和基础特性的
不锈钢薄板光纤激光切割质量特性及其多目标优化研究10锥形热源在板材下表面的半径，h表示工件厚度。图2.1高斯体热源分布Fig.2.1DistributionofGaussianbodyheatsource2.1.2激光切割温度场理论分析当激光束聚焦在工件上时，材料吸收激光能量并传导到内部，并通过表面的热对流损失一部分。材料吸收激光能量的效率取决于材料的热性质和光学性质以及激光束的波长、偏振和工件的温度。在激光切割分析中作了以下假设：（1）材料是各向同性和不透明的，忽略相变潜热；（2）激光束的空间分布是TEM00高斯基模；（3）由于熔化了的材料立即被辅助气体的压力从被切割材料吹出，因此，忽略熔化材料的蒸发效应。基于以上假设，将激光切割过程的传热过程模拟为三维瞬态分析。空间和时间温度分布T(x,y,z,t)满足以下热传导微分方程，基于热传导的模型控制方程满足傅里叶定律[42]，描述为：222222TTTTQcxyzt（2.4）式中为材料的导热系数，T为切割温度场分布，Q为激光切割热源，c为材料的比热容，为材料密度。2.1.3边界条件在切割分析中，由于激光从切割边缘的反射被切割面吸收，所以激光的反射被忽略了。因此，受激光束辐照的反射损失只发生在材料的自由表面。此外，在工件的自由表面（辐
【参考文献】：
期刊论文
[1]交叉验证的GRNN神经网络雷达目标识别方法研究[J]. 林悦,夏厚培. 现代防御技术. 2018(04)
[2]基于ANSYS软件的不锈钢薄板光纤激光切割工艺参数研究[J]. 郑磊,张清萍. 济南大学学报(自然科学版). 2018(01)
[3]基于飞秒激光的表面微纳加工技术综述与展望[J]. 董世运,刚肖,闫世兴,王斌. 装甲兵工程学院学报. 2016(03)
[4]铝合金激光切割工艺研究[J]. 张晖,彭玉海,侯红玲. 科技风. 2014(13)
[5]光纤激光切割铝合金薄板工艺特性研究[J]. 陈聪,高明,顾云泽,王磊,杨欢庆,曾晓雁. 中国激光. 2014(06)
[6]基于ANSYS的激光切割温度场仿真[J]. 袁伟,李占国,蔡云光. 长春大学学报. 2013(12)
[7]基于去除熔化物形态分析的铝合金薄板激光切割试验研究[J]. 王彦飞,王续跃,康仁科,徐文骥,郭东明. 中国激光. 2012(08)
[8]基于正交试验钛合金激光切割工艺参数优化[J]. 韩志仁,孙伟. 机械设计与制造. 2010(02)
[9]科技论文中正交试验结果分析方法的使用[J]. 郝拉娣,张娴,刘琳. 编辑学报. 2007(05)
[10]表面粗糙度测量方法综述[J]. 刘斌,冯其波,匡萃方. 光学仪器. 2004(05)
博士论文
[1]采用神经网络与遗传算法对Mg/PTFE贫氧推进剂配方的优化设计研究[D]. 范磊.南京理工大学 2013
[2]激光加工数控系统及状态监测技术研究[D]. 吕善进.哈尔滨工业大学 2007
[3]基于壁面聚焦效应的CO2激光切割非金属材料机理和关键技术研究[D]. 谢小柱.湖南大学 2006
硕士论文
[1]YAG激光切割薄钢板的技术研究[D]. 袁伟.长春理工大学 2014
[2]高熔点钨合金和钼合金薄板激光切割工艺研究[D]. 张景泉.沈阳工业大学 2014
[3]中厚板氧助激光切割数值仿真与实验研究[D]. 陈乐.上海交通大学 2014
[4]激光切割板材转角轨迹热应力建模与分析[D]. 吴问才.上海交通大学 2013
[5]0Cr18Ni9不锈钢激光打孔工艺及数值模拟研究[D]. 杨俊华.南昌航空大学 2011
本文编号：3595848
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光切割在汽车制造的应用Fig.1.1Applicationoflasercuttinginautomobilemanufacturing
不锈钢薄板光纤激光切割质量特性及其多目标优化研究4（c）裂纹切割（d）烧蚀切割（c）Fracturecutting（d）Ablationcutting图1.2激光切割原理图Fig.1.2Schematicdiagramoflasercutting1.3国内外研究现状1.3.1激光切割工艺试验与仿真研究现状激光切割目的是分离即切断材料，材料切断后形成的最明显的特征就是切口或切缝，无论是切割金属材料还是非金属材料，切割后形成的切口特征是切割质量的重要评价指标。目前，对于激光切割过程和切割工艺的研究方法主要有试验和仿真。Araujo等人[12]在2024铝合金表面二氧化碳激光器切孔试验中研究了热影响区的形成机理，并且分析了热影响区域的微结构，发现在α-液相存在的情况下，HAZ在548到596摄氏度之间受到加热作用。对切口分析发现，切割过程中高氮气压力会形成三种类型的粗糙度，为了改善这种切割作用，改用不同波长和不同的功率来切割获得了更好的切割效果。Carpio等人[13]证明了激光加工过程中由于表面熔化而产生的表面粗糙度显著提高了激光处理后工件的疲劳性能。王彦飞等人[14]在激光切割铝合金薄板时发现，从切割截面喷射出的颗粒呈球形，具有较高的蒸发-熔融比，颗粒的平均直径因切割质量的提高而变校谢小柱等人[15]通过厚板的激光切割工艺试验，发现了切割深度与切割速度、激光功率、焦点位置之间的规律。陈乐[6]通过试验和仿真相结合的方法阐述了中厚板氧助激光切割流尝温度场仿真及切面条纹形成机理的关联，分析了切割形成条纹过程中的燃烧机理和影响条纹形成的重要因素。陈聪等人[16]开展光纤激光切割铝合金试验同研究了激光切割参数对切面粗糙度和挂渣长度的影响规律。从上述研究可以看出，试验方法主要针对激光切割过程中切口形成机理和基础特性的
不锈钢薄板光纤激光切割质量特性及其多目标优化研究10锥形热源在板材下表面的半径，h表示工件厚度。图2.1高斯体热源分布Fig.2.1DistributionofGaussianbodyheatsource2.1.2激光切割温度场理论分析当激光束聚焦在工件上时，材料吸收激光能量并传导到内部，并通过表面的热对流损失一部分。材料吸收激光能量的效率取决于材料的热性质和光学性质以及激光束的波长、偏振和工件的温度。在激光切割分析中作了以下假设：（1）材料是各向同性和不透明的，忽略相变潜热；（2）激光束的空间分布是TEM00高斯基模；（3）由于熔化了的材料立即被辅助气体的压力从被切割材料吹出，因此，忽略熔化材料的蒸发效应。基于以上假设，将激光切割过程的传热过程模拟为三维瞬态分析。空间和时间温度分布T(x,y,z,t)满足以下热传导微分方程，基于热传导的模型控制方程满足傅里叶定律[42]，描述为：222222TTTTQcxyzt（2.4）式中为材料的导热系数，T为切割温度场分布，Q为激光切割热源，c为材料的比热容，为材料密度。2.1.3边界条件在切割分析中，由于激光从切割边缘的反射被切割面吸收，所以激光的反射被忽略了。因此，受激光束辐照的反射损失只发生在材料的自由表面。此外，在工件的自由表面（辐
【参考文献】：
期刊论文
[1]交叉验证的GRNN神经网络雷达目标识别方法研究[J]. 林悦,夏厚培. 现代防御技术. 2018(04)
[2]基于ANSYS软件的不锈钢薄板光纤激光切割工艺参数研究[J]. 郑磊,张清萍. 济南大学学报(自然科学版). 2018(01)
[3]基于飞秒激光的表面微纳加工技术综述与展望[J]. 董世运,刚肖,闫世兴,王斌. 装甲兵工程学院学报. 2016(03)
[4]铝合金激光切割工艺研究[J]. 张晖,彭玉海,侯红玲. 科技风. 2014(13)
[5]光纤激光切割铝合金薄板工艺特性研究[J]. 陈聪,高明,顾云泽,王磊,杨欢庆,曾晓雁. 中国激光. 2014(06)
[6]基于ANSYS的激光切割温度场仿真[J]. 袁伟,李占国,蔡云光. 长春大学学报. 2013(12)
[7]基于去除熔化物形态分析的铝合金薄板激光切割试验研究[J]. 王彦飞,王续跃,康仁科,徐文骥,郭东明. 中国激光. 2012(08)
[8]基于正交试验钛合金激光切割工艺参数优化[J]. 韩志仁,孙伟. 机械设计与制造. 2010(02)
[9]科技论文中正交试验结果分析方法的使用[J]. 郝拉娣,张娴,刘琳. 编辑学报. 2007(05)
[10]表面粗糙度测量方法综述[J]. 刘斌,冯其波,匡萃方. 光学仪器. 2004(05)
博士论文
[1]采用神经网络与遗传算法对Mg/PTFE贫氧推进剂配方的优化设计研究[D]. 范磊.南京理工大学 2013
[2]激光加工数控系统及状态监测技术研究[D]. 吕善进.哈尔滨工业大学 2007
[3]基于壁面聚焦效应的CO2激光切割非金属材料机理和关键技术研究[D]. 谢小柱.湖南大学 2006
硕士论文
[1]YAG激光切割薄钢板的技术研究[D]. 袁伟.长春理工大学 2014
[2]高熔点钨合金和钼合金薄板激光切割工艺研究[D]. 张景泉.沈阳工业大学 2014
[3]中厚板氧助激光切割数值仿真与实验研究[D]. 陈乐.上海交通大学 2014
[4]激光切割板材转角轨迹热应力建模与分析[D]. 吴问才.上海交通大学 2013
[5]0Cr18Ni9不锈钢激光打孔工艺及数值模拟研究[D]. 杨俊华.南昌航空大学 2011
本文编号：3595848
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