薄鋼板的切割

卓輝激光

在過(guò)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(wèn)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(wèn)題的考慮是很有意義的。
         
        不同的噴嘴
1 v" G. w  S5 v+ I        從氣體動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)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(wú)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(méi)有沖擊波的流動(dòng)過(guò)程。但是，這樣的噴嘴并不實(shí)際，因?yàn)樗鼈兊某杀竞芨撸瑳](méi)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(lái)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膲簭?qiáng)約等于1 bar。
        以如此低的輔助氣體壓強(qiáng)來(lái)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诟叩妮斎雺簭?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(shuō)明了這個(gè)現(xiàn)象，它給出了從噴嘴口開(kāi)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。
        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(méi)有沖擊波的存在（圖中可見(jiàn)的結(jié)構(gòu)是比較弱的膨脹和壓縮波），說(shuō)明了，這里幾乎沒(méi)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(wèn)題仍然存在，即，從長(zhǎng)度最小的噴嘴出來(lái)的平穩(wěn)超音速流體，在切割方面是否更具優(yōu)勢(shì)。
' ]* O- W( P% t+ D* Q9 k9 R        熔融切除機(jī)制
        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(shuō)，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(guò)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。
         
9 |' G  K; k; i" A; y' N! |        切口處氣流條件
# b- @6 k+ g: C, k; b        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(kāi)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)吃谇锌诘撞俊６绻隹跉鈮盒∮谥車鷼鈮旱脑挘ㄔ谇锌谏鲜浅羲倭黧w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(wú)殘?jiān)那锌冢仨氁蟪隹谔帤饬骶哂凶畲蟮乃俣龋⑶覊簭?qiáng)等于周圍的壓強(qiáng)。4
" q/ K- f3 ]5 Y& D" _- Q; A        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(lái)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(lái)進(jìn)行模擬，使用的噴嘴壓強(qiáng)包括了1.89，3.7，7.8，17 bar。
         
8 ~$ T5 I: W5 v" R& K* M# j( m: U" A        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(kāi)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(guò)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Γ约跋鄳?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(guò)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(kāi)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(guò)程得到優(yōu)化，沒(méi)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(guò)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(lái)切割1 mm 軟鋼時(shí)，最佳的壓強(qiáng)約為10 bar。這不僅帶來(lái)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(guò)，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。
         
& c6 j  B0 k( Q% n( L3 F9 a        超音速噴嘴的切割性能
        對(duì)超音速噴嘴來(lái)說(shuō)，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(jué)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(guò)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(wú)渣滓的切割。
, `$ D' U# a2 y$ u4 C; M        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。
9 j4 a8 d2 K  a3 F' ]9 w        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(jiàn)；不過(guò)，隨著激光功率的提高，等離子體屏蔽的問(wèn)題將更加突出。
0 ]$ ]7 K9 j+ _/ y$ S( b! h# n        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。
         
        結(jié)論
        主要的結(jié)論是，對(duì)于薄鋼板的切割來(lái)說(shuō)，超音速噴嘴沒(méi)有提高熔融物質(zhì)去除結(jié)果。因?yàn)槌羲贇饬髟诖虻焦ぜ砻鏁r(shí)已經(jīng)完全喪失了其優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，對(duì)于厚的金屬板的切割來(lái)說(shuō)，很可能就是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榍锌诳赡芤獙挼枚唷?
' V3 h& u1 s) |0 T' c, h        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(guò)程以及切割速度。
        對(duì)于優(yōu)化了的切割條件來(lái)說(shuō)，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(lái)的氣流完全膨脹時(shí)，就能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)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。