薄鋼板的切割

卓輝激光

在過去的幾十年中,，激光切割加工得到了廣泛的研究和模擬，尤其是切割輔助氣體與金屬的相互作 用,，這些加工不僅包含主動(dòng)輔助，也包括了被動(dòng)輔助加工類型,。人們很早就意識(shí)到?jīng)_擊波圓盤激光器的重要性,。1這里，本文章所要討論的是一個(gè)很有迷惑性的簡(jiǎn)單問題：傳統(tǒng)的（錐形）噴嘴與超音速噴嘴,，哪個(gè)更適合激光切割呢,？由于這兩者之間的價(jià)格差別很大，因此這個(gè)問題的考慮是很有意義的,。
         
& q* T" E9 n6 w; y0 u/ V& h+ t8 _        不同的噴嘴
        從氣體動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)來看,，這些噴嘴非常的不同。超音速式,、長(zhǎng)度最小的噴嘴可能是目前最近研制的類型,，它具有無沖擊波的流動(dòng)，噴嘴長(zhǎng)度小,，操作簡(jiǎn)便,，是這三方面性能最優(yōu)化的組合。該噴嘴有錐形收縮性的截面,，之后是一個(gè)擴(kuò)張的部分,，它與壓縮氣體在某一個(gè)特定壓強(qiáng)下的擴(kuò)張相匹配，這樣的構(gòu)造將得到平穩(wěn)的流動(dòng),，而不會(huì)有明顯的沖擊波,。真正的拉瓦爾噴嘴，包括了一個(gè)收縮的部分和平滑的頸狀狹窄通道,，這樣的構(gòu)造可以產(chǎn)生完全沒有沖擊波的流動(dòng)過程,。但是，這樣的噴嘴并不實(shí)際,，因?yàn)樗鼈兊某杀竞芨�,，沒有大規(guī)模進(jìn)行生產(chǎn)的技術(shù)存在。
         
        超音速噴嘴（如圖1）是用于工業(yè)激光切割的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)噴嘴,。當(dāng)在臨界壓強(qiáng)比為p0/pB = 1.89時(shí)使用,，得到的流體，其馬赫數(shù)為1.0（p0是噴嘴的壓強(qiáng),，pB是周圍的壓強(qiáng)）,。當(dāng)使用巴（bar）來作壓強(qiáng)單位時(shí)，這個(gè)比值在數(shù)值上就約等于作用在噴嘴上的壓強(qiáng),，因?yàn)橹車�的壓�?qiáng)約等于1 bar,。
        以如此低的輔助氣體壓強(qiáng)來進(jìn)行的激光切割很少被應(yīng)用在截面較薄的金屬上，因?yàn)樾枰�在更高的輸入壓�?qiáng)下操作才能得到很快的加工速度和加工質(zhì)量,。提高輸入的氣體壓強(qiáng)將使自由流體在噴嘴的出口出現(xiàn)亞膨脹狀態(tài),，而形成沖擊波（亞膨脹狀態(tài)是指，在噴嘴的出口,，氣體流體要進(jìn)一步碰撞的狀態(tài)）,。圖2說明了這個(gè)現(xiàn)象，它給出了從噴嘴口開始的氣體流動(dòng)下游處,，計(jì)算得到的和實(shí)際的壓力模式,，這里應(yīng)用的噴嘴壓強(qiáng)是7.8 bar。
) Q1 V5 r4 N3 s! J3 P        這兩種不同噴嘴類型之間的差別是明顯的：長(zhǎng)度最小的超音速噴嘴幾乎沒有沖擊波的存在（圖中可見的結(jié)構(gòu)是比較弱的膨脹和壓縮波）,，說明了,，這里幾乎沒有壓強(qiáng)的波動(dòng)，而另一個(gè)噴嘴就有很強(qiáng)的沖擊波,，所以有很大的壓強(qiáng)波動(dòng),。最小長(zhǎng)度的超音速噴嘴的設(shè)計(jì)使用了特征值算法（計(jì)算流體力學(xué)的算法）。
        雖然,，流體特征值的區(qū)別很明顯,，但是這里的問題仍然存在,，即，從長(zhǎng)度最小的噴嘴出來的平穩(wěn)超音速流體,，在切割方面是否更具優(yōu)勢(shì),。
& P8 y& X- z4 ^5 I        熔融切除機(jī)制
9 q6 L! U' U  ~. T8 a( N) Y7 o: D' j        從切口把熔融物質(zhì)切除的能力取決于沿著切口前端的輔助氣體的拖動(dòng)能力。這里有兩種拖動(dòng)方式：一種是由于切線的壓力（粘滯性拖動(dòng)）,，另一種是由于法線的壓力（壓力性拖動(dòng)）,。與流動(dòng)方向正交的平面上的映射面積和與流動(dòng)方向平行的表面面積相比，如果后者大于前者,，那么粘滯性拖動(dòng)更顯著,。當(dāng)切口前端與氣流射流成一定角度時(shí)，也就是說,，此時(shí)這里將有剪應(yīng)力作用在它上面并形成壓力梯度,，于是就形成了壓力性拖動(dòng)。在激光切割過程中,，粘滯性拖動(dòng)和壓力拖動(dòng)的數(shù)量級(jí)是相同的,，都是熔融物和氣體從切口被去除的主要作用力。
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6 Q0 m2 m5 [; x) W7 _        切口處氣流條件
        根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)理論,，從材料切口處去除材料的最佳情況是,，切口底部出口氣壓與周圍氣壓相等。如果該氣壓比周圍氣壓高得多的話,，不僅粘滯力下降（由于氣體向切口底部靠近的速度下降）,，而且流體離開切口的速度也會(huì)快速增加（由于超音速擴(kuò)散）。這樣,，熔融的物質(zhì)以分散的角度噴射,，而不是沿著切口前端的切線方向。一些熔融的金屬被推到邊上,，就導(dǎo)致殘?jiān)�粘在切口底��,。而如果出口氣壓小于周圍氣壓的話（在切口上是超音速流體時(shí)，這種情況可能發(fā)生）,，強(qiáng)沖擊波將會(huì)在出口處形成,。這些沖擊波不僅導(dǎo)致能量損失，而且很大程度的提高了出口氣壓,，并很快的降低了氣體速度,，從而最終導(dǎo)致切割質(zhì)量低下。這樣,，如果要得到無殘?jiān)�的切��,，必須要求出口處氣流具有最大的速度，并且壓�?qiáng)等于周圍的壓強(qiáng),。4
        工業(yè)上用于激光切割的噴嘴通常是音速（錐形）噴嘴,，在入口氣體壓強(qiáng)很高的條件下工作,，因此，有亞膨脹流體的存在,。為了了解提高入口出氣壓比所帶來的效果,，我們使用了音速噴嘴和長(zhǎng)度最小的超音速噴嘴來進(jìn)行模擬，使用的噴嘴壓強(qiáng)包括了1.89,，3.7,，7.8,，17 bar,。
         
        圖3給出了切口中馬赫數(shù)等高線的計(jì)算結(jié)果，這里是側(cè)面視圖（藍(lán)色表明馬赫數(shù)低）,。氣體流向下,，從左向右移動(dòng)（切割方向）。在第一個(gè)例子中,，完全膨脹的氣流從噴嘴中射出（噴嘴處壓強(qiáng)是1.89 bar）,，打到工件處。隨著氣流打到表面,，進(jìn)入切口,，在工件表面就形成了壓縮波。切口中,，在壓縮波下面,，氣流離開切口前端，當(dāng)它擴(kuò)張到切口中,，流體重新加速（黃色區(qū)域）,。在這個(gè)擴(kuò)張以后，將會(huì)有流體的壓縮過程,，因?yàn)闅饬鹘逯鴫嚎s波要努力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),。這種情況不適合材料的去除，因?yàn)閴毫�,，以及相�?yīng)的拖動(dòng)力很小,。
        隨著壓強(qiáng)的提高，工件表面的壓縮波成為沖擊波,，隨著切口里面的流體速度下降,，氣流減少了與切口前端的分離過程。在氣壓為17 bar的時(shí)候,，在切口中的氣流不僅具有超音速,，而且在它離開切口底端的時(shí)候甚至還加速（亞膨脹狀態(tài)）。這樣,，熔融材料將以不同的角度被射出,，而不是沿著切口前端的切線方向,。一些熔融的材料將會(huì)被推到一邊，結(jié)果導(dǎo)致渣滓粘到切割邊緣的底端,。
        計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，當(dāng)噴嘴處壓強(qiáng)大約為10 bar時(shí)，氣流得到充分?jǐn)U張,，因此在這個(gè)壓強(qiáng)處,，切割過程得到優(yōu)化，沒有明顯的渣滓,。使用2.25 kW CO2激光和焦距為2.5英寸的透鏡所進(jìn)行的切割過程驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果,。M2值為1.2，這給出了光斑尺寸為75 μm的光斑,，功率密度為 4 x 107 W/cm2. 使用氮?dú)庾鳛檩o助氣體來切割1 mm 軟鋼時(shí),，最佳的壓強(qiáng)約為10 bar。這不僅帶來了最快的切割,，也得到了最光滑的表面,，即表面渣滓最少，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型相符合,。
        不過,，這里有一個(gè)不相符合的地方：根據(jù)流體條件，噴嘴處壓強(qiáng)越高,，所得到的切割速度應(yīng)該越快,，但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這不是實(shí)際情況,。導(dǎo)致這種情況的原因是,，壓強(qiáng)較大時(shí)，在工件上產(chǎn)生了等離子體羽狀體,，該物質(zhì)會(huì)吸收激光,。
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0 y7 J* W- L, s$ r: ?' a        超音速噴嘴的切割性能
( n2 w1 Z* i( |; t5 f        對(duì)超音速噴嘴來說，盡管噴嘴處的氣流情況完全不同,，切口中的氣流參數(shù)條件與音速噴嘴非常相似,，在低氣壓時(shí)更是這樣。如圖3所示,，在1.89 bar時(shí),，在切口中的情況時(shí)一模一樣的，從兩種情況下沖擊速度都是聲速就可以預(yù)測(cè)到這一點(diǎn),。在氣壓更高的情況下,，工件上的沖擊波比錐形噴嘴的強(qiáng)，這是因?yàn)闆_擊流速度更高（完全膨脹超音速氣流）,。沖擊波的存在消滅了動(dòng)力學(xué)能量,，因?yàn)樗鼘⒃撃芰哭D(zhuǎn)化為熱能,，這導(dǎo)致砸切口內(nèi)的流體速度比錐形噴嘴的情況要慢。這里的情況與我們直覺上所認(rèn)為的矛盾,。而且超音速噴嘴在切口里面產(chǎn)生的流體膨脹更少,，降低了切口前端的作用力，而該力正是作用在熔融層的,。因此可以推斷,，事實(shí)上，在噴嘴壓強(qiáng)小一些時(shí),，就能實(shí)現(xiàn)較低的優(yōu)化切割速度的情況,。這個(gè)模擬過程給出，約在8 bar時(shí),，切口底部出現(xiàn)了完全膨脹的氣流,，在這種情況下可以得到無渣滓的切割,。
) u0 t0 E. _% y* g' P. C        在這里所研究的激光切割結(jié)果中,，使用的是功率密度很高的激光，這就導(dǎo)致很強(qiáng)的等離子體在工件表面形成,。在工件表面形成的等離子體吸收了一些激光輻射,，就降低了能夠產(chǎn)生熔融物的激光能量。從超音速噴嘴中射出的氣流在射出噴嘴以前已經(jīng)膨脹,，這導(dǎo)致在工件表面的壓強(qiáng)和功率密度與音速噴嘴相比都比較小,。
, j+ d  y% |' K# H        在功率密度上的下降限制了等離子體的形成，就使得更多的能量可以到達(dá)工件上,。這樣高的激光功率密度在激光切割中并不常見,；不過，隨著激光功率的提高,，等離子體屏蔽的問題將更加突出,。
7 U* h! S; Q) j        使用激光器裝置進(jìn)行的切割試驗(yàn)2，證實(shí)了這些預(yù)測(cè),，如圖4所示,。
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        結(jié)論
* o* T7 W$ q9 ~& W4 |4 U% x! ^        主要的結(jié)論是，對(duì)于薄鋼板的切割來說,，超音速噴嘴沒有提高熔融物質(zhì)去除結(jié)果,。因?yàn)槌�音速氣流在打到工件表面時(shí)已經(jīng)完全喪失了其優(yōu)勢(shì)。不過,，對(duì)于厚的金屬板的切割來說,，很可能就是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榍锌诳赡芤獙挼枚唷?
        此外,，切割速度不受熔融物質(zhì)去除率的限制,。提高氣體壓強(qiáng)并不是總能提高切割速度,。因?yàn)樵诟邏簭?qiáng)的情況下，在切口表面等離子體的形成減少了工件表面的入射激光能量,，限制了產(chǎn)品的熔融過程以及切割速度,。
        對(duì)于優(yōu)化了的切割條件來說，還必須要求,，氣流輸送時(shí),，在切口的出口處，氣體能夠完全膨脹到大氣壓強(qiáng),。 當(dāng)從切口出來的氣流完全膨脹時(shí),，就能夠?qū)崿F(xiàn)無渣滓切口。對(duì)于薄金屬,，使用傳統(tǒng)的錐形噴嘴能夠很簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)這兩種條件,。