氧化鋁陶瓷激光熱應(yīng)力切割數(shù)值仿真與實驗分析.pdf

1、激光切割是一項重要的激光加工應(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。激光熱應(yīng)力切割技術(shù)通過激光束切割材料表面時引起的溫度場梯度變化產(chǎn)生熱應(yīng)力,誘導(dǎo)并控制裂紋擴展,從而分割材料,是對玻璃、陶瓷等脆性材料切割的有效方法。相對于傳統(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。本文在自然科學(xué)基金項目的支持下,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,分析了激光熱應(yīng)力切割氧化鋁陶瓷的

2、機理,建立了激光切割的三維平面對稱模型,研究了各切割參數(shù)對切割溫度場和熱應(yīng)力場的影響分析,具體研究內(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)力切割中的裂紋擴展機理。通過Ansys建立三維對稱切割有限元仿真模型。采用APDL編程語言,引進表面效應(yīng)單元surf152,實現(xiàn)對激光移動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和熱應(yīng)力場分布規(guī)律,揭示了溫度場和應(yīng)力場隨激光功率、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)點裂紋萌生越早,斷裂時的拉應(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激光器對不同規(guī)格的氧化鋁陶瓷片進行熱應(yīng)力切割實驗。實驗驗證了切割質(zhì)量與激光功率、工件厚度和切割速度關(guān)系的理論分