旋转气流控制激光切割特种钢薄板试验研究

论文摘要

激光切割作为一种先进的制造技术,因其切割范围广、速度快、精度高、热影响区小、加工柔性好等优点而广泛应用于各种加工领域,是激光加工中发展最为成熟的一种技术。近年来,随着现代工业产品向着小批量、高精度、高效率、小型化、轻型化方向发展的需要,激光切割充分发挥了技术优势。为了更好地解决激光切割某些特种钢的过程中由于粘渣引起的加工问题,提高激光切割的质量和效率并有效地降低其加工成本,进一步拓展其应用领域,使激光切割技术更好地服务于社会生产,我们仍需对激光切割技术不完善的部分进行深入研究。本文首先介绍了激光切割技术的基本原理、特点以及其在国内外的发展现状,分析了激光切割粘渣形成的原因,论述了选题的背景及意义,介绍了试验条件和方法。其次在常规激光切割不锈钢等特种钢板时,以氧为辅助气体切割容易产生挂渣现象,而采用高压高纯度氮气或惰性气体作为辅助气体,尽管此方法可获得良好的切割效果,但由于需要在高压环境下使用高纯度氮气作为辅助切割气体,因而气体的消耗量极大;此外,没有氧化反应,缺乏其放热所提供的大量热能,导致此方法切割板材所要求激光功率急剧增大。这种常规方法对激光切割进一步拓展在其他的应用领域造成了影响。然后针对特种钢材料的特殊性给其激光切割带来不便,传统的加工手段不能很好地解决其粘渣等问题。在对熔渣形成原因及规律进行试验研究的前提下,首次提出了仍以氧辅助切割以降低激光切割功率,通过在工件底部加设旋风除渣器,形成旋转气流控制熔渣流向以去除熔渣的方法。试验证明,采用此方法,合理控制工艺参数,可获得光滑的高质量切口。这些通过有限元分析法,直观地显示气体流速及湍流动能的变化,可以比较不同条件下对气体流动状况的影响,便于进一步优化设计结构。在理论上,通过雷诺数的计算,进一步说明了加设旋风除渣器能够稳住切割区域的气流在层流状态,避免猝发现象的发生。最后本文对课题的研究工作进行了总结和展望,并进一步对今后激光切割技术的发展进行了展望,可以肯定的是本文所采用的研究方法和所得到的研究结果为实际应用提供理论与试验依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 激光切割技术概述
• 1.1.2 激光切割的特点
• 1.2 激光切割在国内外现状和发展趋势
• 1.2.1 激光切割在国内外的现状
• 1.2.2 激光切割在国内外的发展趋势
• 1.3 本课题的选题背景和工作内容
• 1.3.1 本课题的选题背景与意义
• 1.3.2 本课题的工作内容
• 第二章 特种钢材的激光切割实验
• 2.1 金属材料的激光切割
• 2.1.1 影响激光切割质量的主要因素
• 2.1.1.1 切割工艺参数
• 2.1.1.2 激光束的质量
• 2.1.1.3 激波对切割的影响
• 2.1.2 对低碳钢,不锈钢的切割
• 2.2 常规工艺切割硅钢的实验
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验设备
• 2.2.3 对硅钢片的切割实验
• 2.3 常规工艺切割硅钢的不足
• 2.3.1 氧气对切割硅钢的影响
• 2作为辅助切割气体'>2.3.2 采用高纯N₂作为辅助切割气体
• 2.4 小结
• 第三章 特种钢的激光切割传统工艺的比较
• 3.1 "纵列喷嘴"切割法
• 3.1.1 工作原理
• 3.1.2 此方法的优缺点
• 3.2 层叠切割法
• 3.2.1 工作原理
• 3.2.2 此方法的优缺点
• 3.3 采用超音速拉伐儿喷嘴切割
• 3.3.1 工作原理
• 3.3.2 此方法的优缺点
• 3.4 小结
• 第四章 侧吹实验的提出与流体分析
• 4.1 设计所需考虑的因素
• 4.1.1 猝发理论对切割质量的影响
• 4.1.2 焦点位置的变化
• 4.1.3 等离子体对切割过程的影响
• 4.2 底部侧吹除渣法
• 4.2.1 底部侧吹除渣法的工作原理
• 4.2.2 底部侧吹实验
• 4.2.3 底部侧吹装置的优点
• 4.3 侧吹气流的流体分析
• 4.3.1 有限元模拟概述
• 4.3.1.1 有限元模拟的理论基础
• 4.3.1.2 有限元软件Ansys及特点
• 4.3.2 侧吹气流的仿真
• 4.3.2.1 N-S方程和湍流模式
• 4.3.2.2 数值模拟研究
• 4.4 小结
• 第五章 旋风除渣器除渣方法的提出与流体分析
• 5.1 旋风除渣器除渣方法的设计
• 5.2 旋转气流引导装置的流体分析
• 5.2.1 旋转气流控制内流体的物理和数学模型
• 5.2.2 旋转气流控制切割的流体分析
• 5.2.2.1 计算区域的网格划分和边界条件
• 5.2.2.2 旋转气流控制切割数值仿真
• 5.3 旋风除渣器的切割实验验证
• 5.4 小结
• 第六章 结果与讨论
• 6.1 激光切割硅钢片工艺参数及其规律
• 6.1.1 影响切口宽度的因素
• 6.1.2 影响切口粗糙度的因素
• 6.2 激光切割与传统制造硅钢片工艺质量的比较
• 6.2.1 避免毛刺的产生
• 6.2.2 降低硅钢片的铁损
• 6.2.3 减少绝缘层的损伤
• 6.2.4 减少边缘的应力
• 6.3 小结
• 第七章 总结
• 7.1 主要结论
• 7.2 本文的主要创新点
• 7.3 今后工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况