氧化鋁陶瓷激光熱應力切割數(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用技術,其中非金屬材料的激光加工也已成了研究熱點。激光熱應力切割技術通過激光束切割材料表面時引起的溫度場梯度變化產生熱應力,誘導并控制裂紋擴展,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。本文在自然科學基金項目的支持下,討論了目前激光熱應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力場的影響分析,具體研究內容如下:首先從脆性材料斷裂理論出發(fā),研究激光熱應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。分析了激光熱應力切割氧化鋁陶瓷過程,研究了切割中的溫度場和熱應力場分布規(guī)律,揭示了溫度場和應力場隨激光功率、工件厚度和切割速度之間的

3、關系。在激光切割路徑上節(jié)點的正應力σy,在切割過程中經歷“無應力‐拉應力‐壓應力‐拉應力‐無應力”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中的最高溫度成正比關系。功率增大,相同節(jié)點裂紋萌生越早,斷裂時的拉應力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力切割實驗。實驗驗證了切割質量與激光功率、工件厚度和切割速度關系的理論分