氧化鋁陶瓷激光熱應(yīng)力切割數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)分析.pdf

1、激光切割是一項(xiàng)重要的激光加工應(yīng)用技術(shù),其中非金屬材料的激光加工也已成了研究熱點(diǎn)。激光熱應(yīng)力切割技術(shù)通過激光束切割材料表面時(shí)引起的溫度場(chǎng)梯度變化產(chǎn)生熱應(yīng)力,誘導(dǎo)并控制裂紋擴(kuò)展,從而分割材料,是對(duì)玻璃、陶瓷等脆性材料切割的有效方法。相對(duì)于傳統(tǒng)的金剛刀切割和激光汽化切割方式,具有切割面光滑,材料沒有損失,微裂紋小等優(yōu)點(diǎn)。本文在自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持下,討論了目前激光熱應(yīng)力切割陶瓷等脆性材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),分析了激光熱應(yīng)力切割氧化鋁陶瓷的

2、機(jī)理,建立了激光切割的三維平面對(duì)稱模型,研究了各切割參數(shù)對(duì)切割溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的影響分析,具體研究?jī)?nèi)容如下:首先從脆性材料斷裂理論出發(fā),研究激光熱應(yīng)力切割中的裂紋擴(kuò)展機(jī)理。通過Ansys建立三維對(duì)稱切割有限元仿真模型。采用APDL編程語言,引進(jìn)表面效應(yīng)單元surf152,實(shí)現(xiàn)對(duì)激光移動(dòng)熱源及換熱模型的仿真。分析了激光熱應(yīng)力切割氧化鋁陶瓷過程,研究了切割中的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律,揭示了溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)隨激光功率、工件厚度和切割速度之間的

3、關(guān)系。在激光切割路徑上節(jié)點(diǎn)的正應(yīng)力σy,在切割過程中經(jīng)歷“無應(yīng)力‐拉應(yīng)力‐壓應(yīng)力‐拉應(yīng)力‐無應(yīng)力”的變化過程,直至裂紋擴(kuò)展。研究表明,激光功率和切割過程當(dāng)中的最高溫度成正比關(guān)系。功率增大,相同節(jié)點(diǎn)裂紋萌生越早,斷裂時(shí)的拉應(yīng)力σy更大。相同條件下切割速度增大,切割最高溫度下降,越早發(fā)生斷裂。在理論研究的基礎(chǔ)上,利用50W連續(xù)CO2激光器對(duì)不同規(guī)格的氧化鋁陶瓷片進(jìn)行熱應(yīng)力切割實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了切割質(zhì)量與激光功率、工件厚度和切割速度關(guān)系的理論分