薄钢板的切割

卓辉激光

在过去的几十年中，激光切割加工得到了广泛的研究和模拟，尤其是切割辅助气体与金属的相互作 用，这些加工不仅包含主动辅助，也包括了被动辅助加工类型。人们很早就意识到冲击波圆盘激光器的重要性。1这里，本文章所要讨论的是一个很有迷惑性的简单问题：传统的（锥形）喷嘴与超音速喷嘴，哪个更适合激光切割呢？由于这两者之间的价格差别很大，因此这个问题的考虑是很有意义的。
         
        不同的喷嘴
        从气体动力学观点来看，这些喷嘴非常的不同。超音速式、长度最小的喷嘴可能是目前最近研制的类型，它具有无冲击波的流动，喷嘴长度小，操作简便，是这三方面性能最优化的组合。该喷嘴有锥形收缩性的截面，之后是一个扩张的部分，它与压缩气体在某一个特定压强下的扩张相匹配，这样的构造将得到平稳的流动，而不会有明显的冲击波。真正的拉瓦尔喷嘴，包括了一个收缩的部分和平滑的颈状狭窄通道，这样的构造可以产生完全没有冲击波的流动过程。但是，这样的喷嘴并不实际，因为它们的成本很高，没有大规模进行生产的技术存在。
         
        超音速喷嘴（如图1）是用于工业激光切割的商业标准喷嘴。当在临界压强比为p0/pB = 1.89时使用，得到的流体，其马赫数为1.0（p0是喷嘴的压强，pB是周围的压强）。当使用巴（bar）来作压强单位时，这个比值在数值上就约等于作用在喷嘴上的压强，因为周围的压强约等于1 bar。
6 r. u! T. k; q  Z5 _: F' F        以如此低的辅助气体压强来进行的激光切割很少被应用在截面较薄的金属上，因为需要在更高的输入压强下操作才能得到很快的加工速度和加工质量。提高输入的气体压强将使自由流体在喷嘴的出口出现亚膨胀状态，而形成冲击波（亚膨胀状态是指，在喷嘴的出口，气体流体要进一步碰撞的状态）。图2说明了这个现象，它给出了从喷嘴口开始的气体流动下游处，计算得到的和实际的压力模式，这里应用的喷嘴压强是7.8 bar。
2 V% V/ F# S/ M& F        这两种不同喷嘴类型之间的差别是明显的：长度最小的超音速喷嘴几乎没有冲击波的存在（图中可见的结构是比较弱的膨胀和压缩波），说明了，这里几乎没有压强的波动，而另一个喷嘴就有很强的冲击波，所以有很大的压强波动。最小长度的超音速喷嘴的设计使用了特征值算法（计算流体力学的算法）。
        虽然，流体特征值的区别很明显，但是这里的问题仍然存在，即，从长度最小的喷嘴出来的平稳超音速流体，在切割方面是否更具优势。
        熔融切除机制
        从切口把熔融物质切除的能力取决于沿着切口前端的辅助气体的拖动能力。这里有两种拖动方式：一种是由于切线的压力（粘滞性拖动），另一种是由于法线的压力（压力性拖动）。与流动方向正交的平面上的映射面积和与流动方向平行的表面面积相比，如果后者大于前者，那么粘滞性拖动更显著。当切口前端与气流射流成一定角度时，也就是说，此时这里将有剪应力作用在它上面并形成压力梯度，于是就形成了压力性拖动。在激光切割过程中，粘滞性拖动和压力拖动的数量级是相同的，都是熔融物和气体从切口被去除的主要作用力。
         
        切口处气流条件
) ~4 g( O' v/ \+ z2 O' t" _/ v7 ?        根据气体动力学理论，从材料切口处去除材料的最佳情况是，切口底部出口气压与周围气压相等。如果该气压比周围气压高得多的话，不仅粘滞力下降（由于气体向切口底部靠近的速度下降），而且流体离开切口的速度也会快速增加（由于超音速扩散）。这样，熔融的物质以分散的角度喷射，而不是沿着切口前端的切线方向。一些熔融的金属被推到边上，就导致残渣粘在切口底部。而如果出口气压小于周围气压的话（在切口上是超音速流体时，这种情况可能发生），强冲击波将会在出口处形成。这些冲击波不仅导致能量损失，而且很大程度的提高了出口气压，并很快的降低了气体速度，从而最终导致切割质量低下。这样，如果要得到无残渣的切口，必须要求出口处气流具有最大的速度，并且压强等于周围的压强。4
        工业上用于激光切割的喷嘴通常是音速（锥形）喷嘴，在入口气体压强很高的条件下工作，因此，有亚膨胀流体的存在。为了了解提高入口出气压比所带来的效果，我们使用了音速喷嘴和长度最小的超音速喷嘴来进行模拟，使用的喷嘴压强包括了1.89，3.7，7.8，17 bar。
         
        图3给出了切口中马赫数等高线的计算结果，这里是侧面视图（蓝色表明马赫数低）。气体流向下，从左向右移动（切割方向）。在第一个例子中，完全膨胀的气流从喷嘴中射出（喷嘴处压强是1.89 bar），打到工件处。随着气流打到表面，进入切口，在工件表面就形成了压缩波。切口中，在压缩波下面，气流离开切口前端，当它扩张到切口中，流体重新加速（黄色区域）。在这个扩张以后，将会有流体的压缩过程，因为气流藉着压缩波要努力达到稳定状态。这种情况不适合材料的去除，因为压力，以及相应的拖动力很小。
9 K) l9 c" p* e- }+ o        随着压强的提高，工件表面的压缩波成为冲击波，随着切口里面的流体速度下降，气流减少了与切口前端的分离过程。在气压为17 bar的时候，在切口中的气流不仅具有超音速，而且在它离开切口底端的时候甚至还加速（亚膨胀状态）。这样，熔融材料将以不同的角度被射出，而不是沿着切口前端的切线方向。一些熔融的材料将会被推到一边，结果导致渣滓粘到切割边缘的底端。
+ g. ^; i) `8 m. v        计算和实验结果表明，当喷嘴处压强大约为10 bar时，气流得到充分扩张，因此在这个压强处，切割过程得到优化，没有明显的渣滓。使用2.25 kW CO2激光和焦距为2.5英寸的透镜所进行的切割过程验证了计算结果。M2值为1.2，这给出了光斑尺寸为75 μm的光斑，功率密度为 4 x 107 W/cm2. 使用氮气作为辅助气体来切割1 mm 软钢时，最佳的压强约为10 bar。这不仅带来了最快的切割，也得到了最光滑的表面，即表面渣滓最少，这个实验结果与模型相符合。
, |3 g4 ^: J+ Q/ b1 H        不过，这里有一个不相符合的地方：根据流体条件，喷嘴处压强越高，所得到的切割速度应该越快，但是，实验结果表明这不是实际情况。导致这种情况的原因是，压强较大时，在工件上产生了等离子体羽状体，该物质会吸收激光。
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        超音速喷嘴的切割性能
        对超音速喷嘴来说，尽管喷嘴处的气流情况完全不同，切口中的气流参数条件与音速喷嘴非常相似，在低气压时更是这样。如图3所示，在1.89 bar时，在切口中的情况时一模一样的，从两种情况下冲击速度都是声速就可以预测到这一点。在气压更高的情况下，工件上的冲击波比锥形喷嘴的强，这是因为冲击流速度更高（完全膨胀超音速气流）。冲击波的存在消灭了动力学能量，因为它将该能量转化为热能，这导致砸切口内的流体速度比锥形喷嘴的情况要慢。这里的情况与我们直觉上所认为的矛盾。而且超音速喷嘴在切口里面产生的流体膨胀更少，降低了切口前端的作用力，而该力正是作用在熔融层的。因此可以推断，事实上，在喷嘴压强小一些时，就能实现较低的优化切割速度的情况。这个模拟过程给出，约在8 bar时，切口底部出现了完全膨胀的气流，在这种情况下可以得到无渣滓的切割。
        在这里所研究的激光切割结果中，使用的是功率密度很高的激光，这就导致很强的等离子体在工件表面形成。在工件表面形成的等离子体吸收了一些激光辐射，就降低了能够产生熔融物的激光能量。从超音速喷嘴中射出的气流在射出喷嘴以前已经膨胀，这导致在工件表面的压强和功率密度与音速喷嘴相比都比较小。
        在功率密度上的下降限制了等离子体的形成，就使得更多的能量可以到达工件上。这样高的激光功率密度在激光切割中并不常见；不过，随着激光功率的提高，等离子体屏蔽的问题将更加突出。
% r9 R- ~* Y5 P. E- D5 ^        使用激光器装置进行的切割试验2，证实了这些预测，如图4所示。
2 q; p- n+ r9 }% L3 }6 G8 s         
# E4 @7 F" C8 U( X( J  ?* ?7 ]        结论
        主要的结论是，对于薄钢板的切割来说，超音速喷嘴没有提高熔融物质去除结果。因为超音速气流在打到工件表面时已经完全丧失了其优势。不过，对于厚的金属板的切割来说，很可能就是一个优势，因为切口可能要宽得多。
        此外，切割速度不受熔融物质去除率的限制。提高气体压强并不是总能提高切割速度。因为在高压强的情况下，在切口表面等离子体的形成减少了工件表面的入射激光能量，限制了产品的熔融过程以及切割速度。
        对于优化了的切割条件来说，还必须要求，气流输送时，在切口的出口处，气体能够完全膨胀到大气压强。 当从切口出来的气流完全膨胀时，就能够实现无渣滓切口。对于薄金属，使用传统的锥形喷嘴能够很简便的实现这两种条件。