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輔助，也包括了被動輔助加工類型。人們很早就意識到沖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很有迷惑性的簡單問題：傳統的（錐形）噴嘴與超音速噴嘴，哪個更適合激光切割呢？由于這兩者之間的價格差別很大，因此這個問題的考慮是很有意義的。
         
' E; j# d- i( p9 P        不同的噴嘴
        從氣體動力學觀點來看，這些噴嘴非常的不同。超音速式、長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，噴嘴長度小，操作簡便，是這三方面性能最優化的組合。該噴嘴有錐形收縮性的截面，之后是一個擴張的部分，它與壓縮氣體在某一個特定壓強下的擴張相匹配，這樣的構造將得到平穩的流動，而不會有明顯的沖擊波。真正的拉瓦爾噴嘴，包括了一個收縮的部分和平滑的頸狀狹窄通道，這樣的構造可以產生完全沒有沖擊波的流動過程。但是，這樣的噴嘴并不實際，因為它們的成本很高，沒有大規模進行生產的技術存在。
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        超音速噴嘴（如圖1）是用于工業激光切割的商業標準噴嘴。當在臨界壓強比為p0/pB = 1.89時使用，得到的流體，其馬赫數為1.0（p0是噴嘴的壓強，pB是周圍的壓強）。當使用巴（bar）來作壓強單位時，這個比值在數值上就約等于作用在噴嘴上的壓強，因為周圍的壓強約等于1 bar。
9 v! y7 h/ p4 p: i% S# c* A        以如此低的輔助氣體壓強來進行的激光切割很少被應用在截面較薄的金屬上，因為需要在更高的輸入壓強下操作才能得到很快的加工速度和加工質量。提高輸入的氣體壓強將使自由流體在噴嘴的出口出現亞膨脹狀態，而形成沖擊波（亞膨脹狀態是指，在噴嘴的出口，氣體流體要進一步碰撞的狀態）。圖2說明了這個現象，它給出了從噴嘴口開始的氣體流動下游處，計算得到的和實際的壓力模式，這里應用的噴嘴壓強是7.8 bar。
        這兩種不同噴嘴類型之間的差別是明顯的：長度最小的超音速噴嘴幾乎沒有沖擊波的存在（圖中可見的結構是比較弱的膨脹和壓縮波），說明了，這里幾乎沒有壓強的波動，而另一個噴嘴就有很強的沖擊波，所以有很大的壓強波動。最小長度的超音速噴嘴的設計使用了特征值算法（計算流體力學的算法）。
        雖然，流體特征值的區別很明顯，但是這里的問題仍然存在，即，從長度最小的噴嘴出來的平穩超音速流體，在切割方面是否更具優勢。
        熔融切除機制
        從切口把熔融物質切除的能力取決于沿著切口前端的輔助氣體的拖動能力。這里有兩種拖動方式：一種是由于切線的壓力（粘滯性拖動），另一種是由于法線的壓力（壓力性拖動）。與流動方向正交的平面上的映射面積和與流動方向平行的表面面積相比，如果后者大于前者，那么粘滯性拖動更顯著。當切口前端與氣流射流成一定角度時，也就是說，此時這里將有剪應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。在激光切割過程中，粘滯性拖動和壓力拖動的數量級是相同的，都是熔融物和氣體從切口被去除的主要作用力。
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        切口處氣流條件
        根據氣體動力學理論，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快速增加（由于超音速擴散）。這樣，熔融的物質以分散的角度噴射，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，就導致殘渣粘在切口底部。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，這種情況可能發生），強沖擊波將會在出口處形成。這些沖擊波不僅導致能量損失，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，從而最終導致切割質量低下。這樣，如果要得到無殘渣的切口，必須要求出口處氣流具有最大的速度，并且壓強等于周圍的壓強。4
        工業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度最小的超音速噴嘴來進行模擬，使用的噴嘴壓強包括了1.89，3.7，7.8，17 bar。
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        圖3給出了切口中馬赫數等高線的計算結果，這里是側面視圖（藍色表明馬赫數低）。氣體流向下，從左向右移動（切割方向）。在第一個例子中，完全膨脹的氣流從噴嘴中射出（噴嘴處壓強是1.89 bar），打到工件處。隨著氣流打到表面，進入切口，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，當它擴張到切口中，流體重新加速（黃色區域）。在這個擴張以后，將會有流體的壓縮過程，因為氣流藉著壓縮波要努力達到穩定狀態。這種情況不適合材料的去除，因為壓力，以及相應的拖動力很小。
2 Z1 L+ B. s% |- }9 v# {2 a        隨著壓強的提高，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候甚至還加速（亞膨脹狀態）。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被推到一邊，結果導致渣滓粘到切割邊緣的底端。
        計算和實驗結果表明，當噴嘴處壓強大約為10 bar時，氣流得到充分擴張，因此在這個壓強處，切割過程得到優化，沒有明顯的渣滓。使用2.25 kW CO2激光和焦距為2.5英寸的透鏡所進行的切割過程驗證了計算結果。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. 使用氮氣作為輔助氣體來切割1 mm 軟鋼時，最佳的壓強約為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，這個實驗結果與模型相符合。
        不過，這里有一個不相符合的地方：根據流體條件，噴嘴處壓強越高，所得到的切割速度應該越快，但是，實驗結果表明這不是實際情況。導致這種情況的原因是，壓強較大時，在工件上產生了等離子體羽狀體，該物質會吸收激光。
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. @* j+ a2 z% ^* {) ?$ Y- C2 W6 L        超音速噴嘴的切割性能
        對超音速噴嘴來說，盡管噴嘴處的氣流情況完全不同，切口中的氣流參數條件與音速噴嘴非常相似，在低氣壓時更是這樣。如圖3所示，在1.89 bar時，在切口中的情況時一模一樣的，從兩種情況下沖擊速度都是聲速就可以預測到這一點。在氣壓更高的情況下，工件上的沖擊波比錐形噴嘴的強，這是因為沖擊流速度更高（完全膨脹超音速氣流）。沖擊波的存在消滅了動力學能量，因為它將該能量轉化為熱能，這導致砸切口內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為的矛盾。而且超音速噴嘴在切口里面產生的流體膨脹更少，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，事實上，在噴嘴壓強小一些時，就能實現較低的優化切割速度的情況。這個模擬過程給出，約在8 bar時，切口底部出現了完全膨脹的氣流，在這種情況下可以得到無渣滓的切割。
6 F) E$ U  H. [) T% D        在這里所研究的激光切割結果中，使用的是功率密度很高的激光，這就導致很強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膨脹，這導致在工件表面的壓強和功率密度與音速噴嘴相比都比較小。
8 \" g, `* P# G5 h0 \/ y+ C" |        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。
  f+ c. ^" i* Y: I# L! r1 D        使用激光器裝置進行的切割試驗2，證實了這些預測，如圖4所示。
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        結論
        主要的結論是，對于薄鋼板的切割來說，超音速噴嘴沒有提高熔融物質去除結果。因為超音速氣流在打到工件表面時已經完全喪失了其優勢。不過，對于厚的金屬板的切割來說，很可能就是一個優勢，因為切口可能要寬得多。
& u+ ^2 ^( P! @& _) t9 i        此外，切割速度不受熔融物質去除率的限制。提高氣體壓強并不是總能提高切割速度。因為在高壓強的情況下，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，限制了產品的熔融過程以及切割速度。
        對于優化了的切割條件來說，還必須要求，氣流輸送時，在切口的出口處，氣體能夠完全膨脹到大氣壓強。 當從切口出來的氣流完全膨脹時，就能夠實現無渣滓切口。對于薄金屬，使用傳統的錐形噴嘴能夠很簡便的實現這兩種條件。