同轴双焦距激光熔化切割数学模型研究

论文摘要

激光熔化切割过程涉及了光学、材料学、热学、流体力学、机械控制等众多学科的知识,影响激光熔化切割质量的因素很多,通过实验工艺来研究这些参数对切割过程的影响,要花费大量的时间、人力和物力,因此,建立激光熔化切割模型对于实际的激光切割加工具有重要的意义。根据空气动力学原理设计出适合在高压惰性气体辅助条件下激光熔化切割的超音速喷嘴。超音速喷嘴在设计的工作条件下能输出具有良好的气体动态特性,可以更有效地把熔化金属及其夹渣物从切缝前沿吹走,提高切割速度和切割质量。采用了切割前沿的能量平衡方程,在一定的合理假设条件下建立了同轴双焦距激光熔化切割前沿的三维几何模型。该模型不但考虑了激光功率、激光束模式、激光波长、激光束偏振、材料对光的吸收率、材料热性质、厚度、切割速度、双焦距透镜的结构和焦点位置等参数,而且还考虑了切缝内光束多次反射效应对光能吸收率的影响。给出了该模型的数值求解方法,计算了304不锈钢的激光熔化切割效果,获得了不同的激光熔化切割参数条件下的切割前沿几何曲线,分析了激光功率、激光模式、切割速度、材料性质、材料厚度、焦点位置、双焦距透镜表面直径和两个焦距的长度对切割前沿曲线的影响,计算结果与实际情况吻合得较好。结果表明,在一定条件下,双焦距透镜的切割效果比单焦距透镜的切割效果好。使用本文建立的激光熔化切割模型,能够指导实际的激光熔化切割平台的建立,获得最佳的激光熔化切割参数组合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 激光切割研究背景
• 1.1.1 激光切割技术发展状况
• 1.1.2 激光切割技术分类及特点
• 1.2 激光切割模型研究概况
• 1.3 课题意义、研究目标以及创新点
• 1.3.1 课题意义
• 1.3.2 研究目标
• 1.3.3 创新点
• 1.4 论文结构
• 2 激光熔化切割的基本理论
• 2.1 激光熔化切割的机制
• 2.2 影响激光熔化切割质量的主要因素
• 2.2.1 激光相关参数
• 2.2.2 材料相关的参数
• 2.2.3 加工过程相关的参数
• 2.3 提高难切金属切割质量的方法
• 2.4 本章小结
• 3 激光切割超音速喷嘴设计
• 3.1 前言
• 3.3 曲线型超音速喷嘴设计
• 3.3.1 喉部
• 3.3.2 稳定段
• 3.3.3 压缩段
• 3.3.4 扩张段
• 3.3.5 超音速喷嘴结构数值模拟
• 3.4 直线型超音速喷嘴设计
• 3.4.1 压缩段
• 3.4.2 扩张段
• 3.5 本章小结
• 4 同轴双焦距激光熔化切割前沿几何模型
• 4.1 前言
• 4.2 双焦距透镜
• 4.3 切割前沿能量平衡方程
• 4.4 吸收的激光功率
• 4.4.1 切割前沿表面元
• 4.4.2 双焦距透镜的激光束局部强度分布
• 4.4.3 光能量局部吸收率
• 4.5 热传导损耗功率
• 4.6 熔化材料和加热熔液消耗的功率
• 4.7 本章小结
• 5 激光熔化切割前沿计算结果分析
• 5.1 模型数值求解过程
• 5.2 计算结果分析
• 5.2.1 激光功率的影响
• 5.2.2 激光模式的影响
• 5.2.3 切割速度的影响
• 5.2.4 焦点位置的影响
• 5.2.5 双焦距透镜结构的影响
• 5.2.6 双焦距透镜与单焦距透镜激光切割效果比较
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献