激光切割輔助氣體參數對切割質量影響的仿真分析

張 一，李 強，佟 玲，宋園園，張曉友,2，孫 鳳

(1.沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870；2.日本工業大學 機械工程系，日本 東京 345-8501)

0 引言

激光切割是一種利用激光束產生的高能量使材料熔化或者汽化，再經過輔助氣體對熔化或者汽化的部分進行吹除，從而形成完整切割過程的一種加工方式[1]。隨著工業加工技術的不斷發展，激光切割技術具有的高精度、高切割質量、高速度、高可控性以及無接觸加工、噪聲小、無污染等優點使其在加工技術中成為不可或缺的一部分[2]。激光切割過程是非常復雜的，在加工之前需要對許多參數進行設置，每一種參數的設置都將影響到切割質量，因此分析切割參數對切割質量的影響至關重要。

近年來，許多學者用實驗的方式來研究切割參數對切割質量的影響。Stournaras、Mullick等分析了激光功率、掃描速度、脈動頻率、激光焦點和氣體壓力等加工參數對激光加工切割質量的影響，通過測量切縫寬度、邊緣粗糙度和熱影響區的大小來評價激光切割的切割量[3-4]。葛亞瓊等對加工AZ31B鎂合金時采用激光切割加工技術的優點進行了實驗研究[5]。陳繼民等通過實驗驗證了改變激光光源入射角可以提高激光切割質量，當超過一定的角度后無法完成切割[6]。葉圣麟、郭健等對激光切割的溫度場進行了模擬，模擬的溫度場可以應用在實際切割過程中，避免參數設置偏差過大影響切割質量[7-8]。

本文對激光切割過程中輔助氣體參數的設置進行了仿真分析。首先建立了激光切割過程有限元二維模型，其次通過改變輔助氣體種類以及離軸量、壓強等氣體參數得到不同情況下的輔助氣體速度云圖，通過速度云圖分析輔助氣體參數對激光切割質量的影響。

1 有限元模型

1.1 有限元模型的建立

激光切割過程中多相流之間的相互作用導致切割過程復雜，為確保激光切割有限元模擬仿真的順利進行，在不影響仿真結果準確的前提下在激光切割有限元模型建立的過程中進行以下簡化：假設切縫內切割前沿的形狀呈直線型；輔助氣體物理特性參數為常數；離軸式激光切割過程中只需調整噴嘴位置，保持被切割材料位置不變，以此來調整離軸量。

圖1為激光切割的有限元模型。模型上方為激光切割機噴嘴部分，噴嘴入口直徑為9 mm，縱深為14.4 mm，噴嘴出口處直徑為3 mm，錐度為30°，噴嘴與工件之間的距離為1 mm，被切割材料為2 mm厚度石蠟板。

圖1 激光切割的有限元模型

1.2 激光切割仿真參數設定

激光高能量所熔化的熔融物被高壓輔助氣體從切縫內吹除，為避免氧化還原反應，這一過程選用氮氣和氬氣兩種惰性氣體進行氣流場模擬仿真,氮氣和氬氣物理參數見表1。

將有限元模型壓力入口設定在噴嘴上口，其余設置為壓力出口如石蠟板切縫處及其上下表面。四周壁面均設置為無滑移壁面，切縫內切割前沿采用流固耦合邊界條件。

表1 氮氣和氫氣的物理參數

2 輔助氣體流場模擬分析

2.1 多種類輔助氣體流場模擬分析

為研究輔助氣體種類對切割質量的影響，模擬分析在輔助氣體壓強為0.3 MPa、切割速度為0.04 m/s、同軸時，分別采用氬氣和氮氣作為切割輔助氣體吹除切縫內熔融物的氣流場運動分布。圖2、圖3分別為氮氣和氬氣作為輔助氣體的速度云圖。

圖2 0.3 MPa氮氣速度云圖 圖3 0.3 MPa氬氣速度云圖

不同輔助氣體速度對比如圖4所示，沿著切割前沿方向向下，輔助氣體速度逐漸減小。從圖4中可以看到，氬氣作為輔助氣體時切割前沿輔助氣體氣流場速度高于氮氣，這是由一定壓強下輔助氣體物理密度和黏度特性所決定的。

圖4 不同種類輔助氣體速度對比

2.2 多壓強輔助氣體流場模擬分析

為研究輔助氣體壓強對激光切割質量的影響，建立了有限元模型進行仿真分析。模擬分析選用輔助氣體壓強為1 MPa～3 MPa，切割速度為0.04 m/s，同軸時，氮氣作為切割輔助氣體吹除切縫內熔融物的流場運動分布。圖5、圖6、圖7分別為壓強1 MPa、2 MPa、3 MPa同軸下，氮氣作為輔助氣體的速度云圖。

圖5 1 MPa同軸式輔助氣體速度 圖6 2 MPa同軸式輔助氣體速度 圖7 3 MPa 同軸式輔助氣體速度

不同壓強下，切割前沿近壁面出現了不同的輔助氣體運動速度,如圖8所示。由圖8可知：當輔助氣體壓強從1 MPa升至2 MPa時，輔助氣體在切縫內切割前沿的速度有所增加；當輔助氣體壓強逐漸增加至3 MPa時，切縫內輔助氣體在切割前沿的速度出現下降的現象。這是由于隨著壓強的逐步增大，進入切縫內氣體速度隨之增大，當氣體壓強增大到一定臨界值時高壓輔助氣體出現激波現象，導致進入切縫內的氣體速度下降。

2.3 離軸式激光切割輔助氣體流場模擬分析

在激光切割輔助氣體參數中對離軸量參數的研究少之又少，適當地調節離軸量可以提高激光切割質量。在有限元模型中，通過對噴嘴中心線向切縫內側平移的方式實現離軸量的調整。圖9、圖10、圖11分別為0.5 MPa壓強下，切割速度為0.04 m/s，輔助氣體為氮氣，同軸式激光切割和離軸量分別為0.36 mm、

0.72 mm離軸式激光切割輔助氣體的速度云圖。

圖8 不同壓強輔助氣體速度對比

不同離軸量輔助氣體速度對比如圖12所示，不同離軸量條件下切割前沿近壁面上出現了不同的輔助氣體運動速度。從圖12中可以看出：離軸量達到0.36 mm時離軸式激光切割近壁面輔助氣體的速度明顯高于同軸式激光切割的輔助氣體速度；當離軸量達到0.72 mm時切縫內近壁面輔助氣體中心線上部的氣體速度出現下降的趨勢，這是因為當輔助氣體中心線向切縫內偏移時切縫內部的氣流量增多，切縫前沿的氣體流速增大，而離軸量的持續增加會使輔助氣體中心逐漸移出切割前沿，反而減小了輔助氣體的作用力導致切割質量出現下降。因此離軸量的參數設置存在一定范圍，離軸量過大時會導致切割質量降低。

圖9 同軸式輔助氣體速度 圖10 0.36 mm離軸式輔助氣體速度 圖11 0.72 mm離軸式輔助氣體速度

3 結論

將激光切割過程有限元模型簡化為二維模型，以模擬仿真輔助氣體速度云圖為基礎，分析了輔助氣體離軸量、壓強和種類等對輔助氣體氣流場速度的影響。仿真結果表明:輔助氣體參數的設置嚴重影響著激光切割質量，在實際生產過程中應合理地設置輔助氣體參數，以提高激光切割的切割質量。

圖12 不同離軸量輔助氣體速度對比