基于生死单元的黄铜激光切割仿真研究

胡怀春，王 刚，张 春

(中国船舶集团有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

光纤激光切割是一个激光切割头与加工工件之间不接触的过程，激光器通过内部机构形成反射将电能转化为叠加过很多次的加强光，通过光纤输送到激光头，后者把光束聚焦成很小的光点，此时光点能量集中，密度极高，远远超过材料的光反射，能量进入工件内部，提供的温度超过材料熔点，材料瞬间融化。此时，辅助气体把熔融的金属吹除，形成点切缝，预先编程设计好切割路径，伺服传动机构按程序带动激光切割头移动，便可以切割出连续的切缝，最终形成所需要的形状[1-2]，如图1所示。

图1 光纤激光切割原理图

目前，在雷达各级整件设计生产中不乏各种异形薄板零件，诸如液冷盒体的流道盖板、线阵中的内导体、机柜中的走线架、箱体蒙皮等，涉及的材料有不锈钢、铝合金及铜合金。以线阵中的内导体为例，其结构特征具有精度高、外形复杂等特点，且批量生产数量较大。这种薄板零件通常为黄铜H62材质，目前多是采用数控加工或线切割成形，虽然加工精度可以得到保证，但是需要使用较多的辅助工装，设置不同加工工艺方法组合用于获得不同结构特征，需要耗费大量的加工、装夹、周转时间，生产效率较低，批量化生产周期较长。若使用激光切割代替数控加工或线切割的成型方式加工铜合金内导体，可以大幅提高生产效率，降低生产成本。本文针对黄铜板H62开展了光纤激光切割仿真研究。

1 仿真模型的建立

光纤激光切割过程中的热量传递方式包括热传导、热对流和热辐射[3-4]，由于依靠热传导作用传递的热量远远多于依靠热对流与热辐射作用传递的热量，因此激光切割的热力学方程主要是基于热传导建立的，然而激光切割是复杂的激光和材料相互作用的光致热过程，其数学模型建立十分困难。为了简化模型，便于分析模拟结果，提出了如下合理假设：被切割的材料各向同性，忽略激光切割中辅助气体的作用，不考虑激光切割中的热辐射，激光切割过程环境是完全理想的，且激光束能力恒定不变。

本文使用有限元仿真软件模拟激光切割中的切缝形成过程，通过输入原材料的热物理参数实现数值模型建立，通过六面体网格划分、网络自适应和重新划分能力提高计算效率，通过调用子函数进行切缝成形演示，从而分析工艺参数对切缝的影响。

1.1 仿真几何模型

由于激光束的直径极小，能量密度集中，因此激光束的直接影响区很小，形成的熔池也极小，跨过熔池部分的直接影响区后母材基本处于传热状态。由于本文只是对熔池形成的切缝进行仿真研究，所以为了降低网格数量，提高仿真效率，只对激光束作用的熔池附近进行仿真建模，建立仿真几何模型如图2所示。激光束沿切割路径，从左向右以恒定的速率进行切割。

图2 仿真几何模型

1.2 有限元参数加载

有限元模型：由于几何模型呈规则的六面体结构，因此选用六面体网格进行网格划分。重点分析工艺参数对切缝成形的影响，对长宽方向的网格进行细分，厚度方向上不做细分，细分后网格大小为0.05 mm×0.05 mm×0.4 mm，建立的有限元模型如图3所示。

图3 仿真有限元模型

材料的热物理参数：本文温度场模拟涉及的材料热物理参数有密度、熔点、比热容、导热系数等，重点分析黄铜H62的激光切割过程。关键热物理参数如图4所示。

图4 黄铜H62的热物理关键参数

边界条件处理：取模型的所有面为对流换热表面，由于忽略了实际切割过程中的辅助气体作用，且认为换热表面的对流不会受到干扰，因此模型表面的对流换热作用属于大空间自然对流散热，设置环境温度20 ℃，空气自然对流换热系数40 W/(m2·℃)。对模型底面的所有节点施加固定约束，以模拟板料在工作台面上切割的实况，同时也防止仿真过程中模型漂移。

热源加载：本文设定仿真分析的激光束直径为0.4 mm，热源以圆柱形作用在模型上，并贯穿整个模型厚度，以热源功率驱动激光切割的热力学传导，热源速度设为恒定值，重点分析功率和速度对激光切割缝隙的影响。热源总移动距离4 mm，根据热源速度不同，拆分10个步长进行过程计算。

生死单元设置：为了形成切缝，需要通过子程序消除超过熔点的单元。利用子程序，从后处理文件中提取单元的所有积分点温度，取平均值作为单元的温度，最后判断单元的温度是否超过材料的熔点，如果超过，就将单元的应力应变置为0，并隐藏该单元，从而形成切缝形貌。子程序编译如图5所示。

图5 生死单元子程序编译

2 仿真结果与分析

依据黄铜的材料特性设置生死单元消失的阈值温度为熔点1083 ℃，在激光功率1.2 kW条件下改变切割速度，并加载1节的有限元参数进行切割仿真，仿真结果如图6所示。

可以看出，在激光功率1.2 kW条件下，当切割速度为7 m/min时，切缝呈逐渐增大的状态，这是因为切割速度过慢导致单位时间内加载在单元上的热量增多，后方切割路径上热量不断堆积，切缝呈扩展状态，切缝宽度无法控制；当切割速度为10 m/min时，切缝呈不连续孔状，无法形成有效切缝，这是因为切割速度过大时，热量来不及堆积以熔化上一激光束圆周与下一激光束圆周之间的母材，从而形成不连续切缝，热量来不及堆积也使得切缝起始位置明显后移；当切割速度为8.5 m/min时，切缝不仅连续，而且扩展得到抑制，有助于形成稳定的切缝，切缝起始位置与图6(c)基本相同，说明当切割速度增大到某一数值，热量堆积满足母材熔化条件时，切缝起始位置便不再变化。

为了对比激光功率对切缝形状的影响，在激光功率1 kW条件下改变切割速度，并加载1节的有限元参数进行切割仿真，仿真结果如图7所示。

可以看出，在激光功率1 kW条件下，当切割速度为6 m/min时，切缝与图6(a)一样，也呈逐渐增大的状态，切缝宽度无法控制；当切割速度为8 m/min时，切缝呈不连续孔状，无法形成有效切缝，且切缝起始位置明显后移；当切割速度为7 m/min时，切缝不仅连续，而且扩展得到抑制，有助于形成稳定的切缝，且切缝起始位置与图7(c)基本相同。

图6 1.2 kW激光功率下不同切割速度仿真结果

图7 1 kW激光功率下不同切割速度仿真结果

两组仿真结果对比如表1所示。当激光功率从1.2 kW下降至1 kW时，同样是7 m/min的切割速度，前者切缝扩展，后者切缝稳定，说明对于不同的激光功率，匹配的切割速度不同。为了避免热量堆积过大，低激光功率可以匹配低切割速度，高激光功率可以匹配高切割速度。当激光功率从1.2 kW下降至1 kW时，切缝起始位置明显后移，说明高激光功率匹配高切割速度比低激光功率匹配低切割速度更有利于稳定切缝的快速形成。对比图6(b)和图7(b)，在稳定切缝条件下，高激光功率匹配高切割速度，局部未熔凸起的间距相对更均匀，宏观上表现为切割面的条纹间距(粗糙度)一致性较好。

表1 不同功率与速度匹配下的切缝尺特征

对比两组仿真结果的相同之处，两组稳定切缝成形演示过程均可以分成图8所示的3个阶段：第1阶段是预热阶段，热源刚刚作用在母材上，母材温度随切割运动逐渐上升，但还未达到熔点，因此该阶段母材形貌无变化；第2阶段是熔池成型阶段，热量积累刚刚达到母材熔点，激光束圆周范围内母材熔化消失，但圆周与圆周之间的母材还未熔化，母材形貌表征为不连续孔洞或局部未熔凸起；第三阶段是稳定切缝阶段，热量积累进一步增大，激光束圆周与圆周之间的母材也达到熔点发生熔化消失，母材形貌表征为连续切缝。

图8 切割过程的3个阶段

因此，鉴于预热阶段和熔池成型阶段的存在，这部分切缝还没有稳定成形。为了确保切缝尺寸精度，可以将激光初始位置设置在余料位置，激光经过一段距离的预切割使切缝进入稳定阶段，再切入实际需要切割的部位，从而保证零件的尺寸精度。

3 结束语

(1)基于热量堆积程度，不同激光功率稳定切割阶段匹配的切割速度不同，低激光功率可以匹配低切割速度，高激光功率可以匹配高切割速度。

(2)高激光功率匹配高切割速度有利于提高切割面的条纹间距(粗糙度)的一致性。为了获得粗糙度小、切缝均匀的切割工艺参数，实际切割时可以通过优化算法进行工艺参数优化，寻找切割功率和切割速度的最佳匹配值。

(3)通过稳定切缝成形仿真演示可知，光纤激光切割过程可以分成预热、熔池成型、稳定切缝3个阶段。鉴于预热阶段和熔池成型阶段的存在，实际激光切割的起点应设置在余料位置，经过一段预切割后再切入零件外形，从而保证零件的尺寸精度。