1 引言

激光切割因具有高切割速率、良好的质量和强大的柔性加工能力,已逐渐成为现代制造高质量自动化加工的主要切割技术,被大量应用于钢结构制造中^[1]。但是,对于工业应用同样广泛的铝合金而言,激光切割还面临一系列技术难题。首先,铝合金对激光束,尤其是CO₂激光束的高反射率大幅度降低了合金材料对激光束的吸收,使切口难以瞬间熔化形成,降低了切割效率,同时影响了工艺和切缝质量的稳定性^[2]。其次,铝合金热导率高,切割时易导致切缝热影响区过宽,使切割质量降低^[3]。再次,铝合金的强氧化性使熔化金属容易被氧化,而铝氧化物的高黏性会阻碍熔融金属脱离切缝,这增加了切缝挂渣倾向^[4]。另外,铝合金的高反特性会将激光束反射回光学镜片和传输光纤,容易对光学系统或激光器造成损坏^[5]。

目前,铝合金激光切割大多为CO₂激光切割和薄板切割。Stournaras等^[6-7]对CO₂激光切割薄板铝合金进行了研究,在优化工艺参数条件下,能够得到挂渣少、表面质量优异的切缝。而光纤激光器由于光束质量更好,铝合金对其发射激光的吸收率更高,且能够采用光纤传输,适应性较强,在激光加工领域已经逐渐取代CO₂激光器^[8-10]。Scintilla等^[11], Wandera等^[12], Riveiro等^[13]通过对光纤激光切割薄板铝合金进行研究发现,得到的切缝表面较CO₂激光所得切缝更加光滑,根部挂渣更少,采用优化的工艺参数进行实验,所得样品的切割质量与CO₂激光切割相近。

由于铝合金的特性及实验条件的限制,研究采用的铝合金大多为4 mm以内的薄板,关于厚度大于4 mm铝合金的研究较少^[14-16]。此外,厚板切割时需要更大的热输入和辅助气压,激光切割过程中激光束与熔化金属和辅助气压之间的相互作用更加激烈,得到良好切缝质量的困难增大。本文采用光纤激光切割8 mm厚铝合金,探讨激光功率、切割速度、离焦量和辅助气压对挂渣和切缝表面质量的影响,得出优化的工艺参数范围,并通过改善喷嘴内部结构改善喷嘴出口气流形态。最后,利用设计的喷嘴进行切割实验,并与普通喷嘴切割质量进行对比。

2 实验条件

实验设备采用美国IPG公司生产的YLS-10000型连续多模光纤激光器,最大输出功率为10 kW,传输光纤芯径为200 μm,光束质量参数BPP(光束参数乘积)为6.9 mm·mrad。激光切割头(YK52, Precitec公司,德国)为透镜式聚焦,准直焦距为125 mm,聚焦焦距为150 mm,聚焦光斑直径为0.24 mm,能够承受的最大激光功率为5.4 kW,切割喷嘴出口直径为1.5 mm,为普通锥形喷嘴。实验材料采用厚度为8 mm的2219-T87铝合金板材,材料的主要成分如表1所示。辅助气体采用体积分数为99.9%的氩气,切割长度为300 mm,为单向直线切割。切割工艺参数如表2所示。

激光切割实验装置如图1所示,激光切割头垂直于工件表面,将待切割工件固定在刀床上,采用电磁阀控制辅助气体,切割时,喷嘴与工件之间的距离始终保持不变。

实验完成后,采用金相显微镜(ECLIPSE MA100,Nikon公司,日本)对切面形貌进行观测。选取切缝质量中的挂渣和表面形貌进行分析,主要是测量切缝根部挂渣与工件下表面之间的距离,表征为挂渣高度(H_d):十等分测量切缝10个位置的挂渣高度,采用游标卡尺进行测量,结果取平均值;切缝表面形貌选取粗糙度最大的区域,以下部分倾斜条纹区域宽度所占板厚的比例(η)来表示:

η=Ho/D,(1)

式中,工件厚度为D,倾斜条纹区域在切缝厚度方向的宽度为H_o。挂渣高度和倾斜条纹所占板厚比例的测量方法及位置如图2所示。挂渣高度和倾斜条纹所占板厚比例的值越小,表示切缝根部挂渣越少,表面粗糙度越低,切缝质量越好。

图 1. 激光切割实验装置。(a)加工头;(b)光纤激光器

Fig. 1. Experimental devices for laser cutting. (a) Processing head; (b) fiber laser

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图 2. 挂渣高度和倾斜条纹占板厚比例的测量方法

Fig. 2. Method for measuring dross height and fraction of oblique striation zone

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3 结果

3.1 切缝形貌

实验得到的8 mm铝合金切缝形貌如图3所示。比较图3(a)~(c)可知,当焦点位置靠近工件表面时,切缝表面条纹粗大,倾斜条纹区域宽,几乎覆盖整个工件截面,且根部挂渣较多,而焦点位置越靠近工件底部,得到的切缝质量越好。如图3(c)和3(d)所示,当采用较高的气体压力时,得到的切缝表面倾斜条纹区域变窄,挂渣高度略有减少。此外,通过实验发现,激光切割8 mm厚板时能取得较好切缝质量的工艺参数的可选范围较窄,且切缝质量波动较大。

图 3. P=5.4 kW, v=2 m·min-1时,不同切割参数下的切缝形貌。(a) f=0 mm, F=1500 kPa; (b) f=-3 mm, F=1500 kPa; (c) f=-4 mm, F=1500 kPa; (d) f=-4 mm, F=1900 kPa

Fig. 3. Kerf morphologies under different cutting parameters when P=5.4 kW and v=2 m·min-1. (a) f=0 mm, F=1500 kPa; (b) f=-3 mm, F=1500 kPa; (c) f=-4 mm, F=1500 kPa; (d) f=-4 mm, F=1900 kPa

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3.2 工艺参数的影响

1) 激光功率的影响

如图4(a)所示,挂渣高度随激光功率的增大而减小,当激光功率为5.4 kW时,挂渣高度有最小值,为0.36 mm。由图4(b)可知,倾斜条纹所占板厚的比例η随激光功率的增大而减小,说明倾斜条纹区域的宽度减小,切缝表面质量随激光功率的增大而变好,但是从图中倾斜条纹占板厚比例的变化规律可看出,随着激光功率的增大,倾斜条纹区域缓慢变少。由于切割头能够承受的最大功率为5.4 kW,且板厚较厚,热传导损失的热量较多,需要更大的激光功率才能提高切缝质量。

2) 切割速度的影响

切割速度对挂渣高度和倾斜条纹所占板厚比例的影响如图5所示,图5(a)中,挂渣高度随着切割速度的增加先减小后增大,在速度为1.8 m·min^-1时,挂渣高度有最小值0.26 mm。切割速度过小时,熔化金属量增多,不能完全被辅助气流排出而形成挂渣。切割速度过大时,热输入不足使熔化金属黏度增加,排出困难,挂渣倾向大,因此,实际切割时,需要把切割速度控制在适当的范围内。如图5(b)所示,随着切割速度的增大,倾斜条纹所占板厚的比例逐渐升高,倾斜条纹区域的范围逐渐增大。因为切割速度的增大使热输入降低,熔化金属黏度下降快,向切缝下部分运动较困难,随着激光束向前移动,熔化金属快速冷却形成较宽的倾斜条纹。

图 4. 功率对切缝质量的影响。(a)挂渣高度;(b)倾斜条纹占板厚比例

Fig. 4. Effect of laser power on kerf quality. (a) Dross height; (b) fraction of oblique striation zone

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图 5. 切割速度对切缝质量的影响。(a)挂渣高度;(b)倾斜条纹占板厚比例

Fig. 5. Effect of cutting speed on kerf quality. (a) Dross height; (b) fraction of oblique striation zone

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3) 离焦量的影响

离焦量对挂渣高度和倾斜条纹所占板厚比例的影响如图6所示。图6(a)中,随着离焦量逐渐增加,挂渣高度增大,即焦点位置越靠近工件底部,根部挂渣高度越小。当离焦量小于-3 mm时,继续减小离焦量,根部挂渣变化较小。经分析,当焦点位置越靠近工件底部,工件下部分的温度越高,熔化金属黏度降低,有利于排除熔化金属,减小根部挂渣倾向。

如图6(b)所示,随着离焦量的增加,倾斜条纹所占板厚比例增大,即当焦点位置越靠近工件底部,倾斜条纹区域越窄。因为焦点位置功率密度高,当焦点在工件下部分时,切缝根部熔化金属仍具有很高的温度,黏度小,在辅助气流的作用下能够轻易排出,从而形成较窄的倾斜条纹区域。

图 6. 离焦量对切缝质量的影响。(a)挂渣高度;(b)倾斜条纹占板厚比例

Fig. 6. Effect of defocusing distance on kerf quality. (a) Dross height; (b) fraction of oblique striation zone

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4) 气压大小的影响

辅助气压对挂渣高度和倾斜条纹所占板厚的比例的影响如图7所示。图7(a)中,当辅助气压增大时,挂渣高度先减小后增大,当辅助气压小于1100 kPa时,切缝根部挂渣较多。气压在1100~1500 kPa范围内变化时,切缝挂渣最少,为0.35 mm。而当气压大于1500 kPa后,继续增大辅助气压,切缝根部挂渣急剧增多。这是因为气压较小时的气流排渣能力较弱,而过大的气压会在锥形喷嘴出口下方形成阻碍气流的马赫盘,并产生正激波,使气体流速迅速降低,严重影响气流稳定性,进而减弱气流的排渣能力^[15-17]。

如图7(b)所示,随着辅助气压的增大,倾斜条纹所占板厚比例逐渐减小。气压增大,气流推力也随之增大,熔化金属能够轻易地流动到切缝下部,从而倾斜条纹区域的范围减小,切缝表面质量得到提高,且增大辅助气压,能够大幅度地提高切缝表面质量。

图 7. 气压大小对切缝质量的影响。(a)挂渣高度;(b)倾斜条纹占板厚比例

Fig. 7. Effect of gas pressure on kerf quality. (a) Dross height; (b) fraction of oblique striation zone

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3.3 喷嘴优化

通过上述分析可知,为了提高切缝表面质量和减少挂渣高度,需要较大的激光功率和辅助气压,然而激光切割头能够承受的最大激光功率为5.4 kW,能够承受的最大压力为2000 kPa。针对锥形喷嘴在高气压下气流紊乱进而影响到切缝表面质量的问题,根据空气动力学原理,在提高喷嘴压力的前提下不产生正激波,设计一种缩放型喷嘴,即Laval喷嘴。标准的Laval喷嘴内部为复杂曲线,喷嘴内部的复杂结构使该喷嘴难以加工,且加工出来的喷嘴的精度不高。为了方便制造,将Laval喷嘴的收缩段和扩张段曲线设计成直线段,根据实验所用的激光器和切割头技术参数,设计出如图8所示的简易Laval喷嘴。

图 8. 简易Laval喷嘴。(a)设计图;(b)实物图

Fig. 8. Simple Laval nozzle. (a) Design drawing; (b) physical map

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为了验证所设计的简易Laval喷嘴的气流形态,采用Fluent软件模拟喷嘴出口气流形态。基于有限体积法对控制方程进行离散,采用耦合式求解器求解,利用SIMPLEC算法解决速度与压力的耦合问题进而对流场进行数值计算。采用标准壁面函数法对近壁区进行处理。计算域的入口取在喷嘴的上游,网格采用三角形非结构网格,对喷嘴出口附近网格进行加密。计算域入口采用入流条件,给定总压为900 kPa,总温为室温,速度方向与喷嘴轴线一致。出口采用出流条件,给定环境压力为101.325 kPa。喷嘴轴线处采用轴对称条件。人工边界采用无反射边界条件。计算得到的结果如图9所示。

由图9(a)可知,普通锥形喷嘴在喷嘴下方具有最大速度655 m·s^-1,但是范围较窄,约在喷嘴出口下方2 mm处。随着与喷嘴出口之间的距离增大,气体流速急剧降低,从图9(a)中可以看出流速迅速降至约426 m·s^-1,且气流迅速膨胀,不利于排渣。图9(b)和9(c)分别为简易Laval喷嘴和标准Laval喷嘴的气体流速分布,相比之下,这两种喷嘴的最大速度低于锥形喷嘴的最大速度,而且在距离喷嘴出口较远的位置,气体流速仍高达545 m·s^-1,且气流并没有发生膨胀,具有良好的稳定性。因此,Laval喷嘴可以更好地保护透镜,提高切缝质量。虽然所设计的简易Laval喷嘴在喷嘴出口下方的气体流速略低于标准Laval喷嘴,但也能获得良好相近的气流形态,尤其Laval喷嘴的简易化大幅度降低了喷嘴加工制造难度,因此,它具有更广的实用性。

图 9. 喷嘴气流的流速分布。(a)锥形喷嘴;(b)简易Laval喷嘴;(c)标准Laval喷嘴

Fig. 9. Gas flow rate distribution of nozzle. (a) Tapered nozzle; (b) simple Laval nozzle; (c) standard Laval nozzle

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采用所设计的简易Laval喷嘴进行切割实验,得到的切缝表面形貌如图10所示。由图10可得,在相同的参数下,应用简易Laval喷嘴切割得到的切缝表面几乎没有倾斜条纹,表面质量得到大幅度提高,但是根部挂渣的高度只是略有降低。为了更好地证明该喷嘴的气流形态优于普通锥形喷嘴,开展实验并分析分别应用两类喷嘴时切割速度对挂渣高度和倾斜条纹占板厚比例的影响情况,所得切割形貌的对比图如图11所示。采用简易Laval喷嘴切割得到的切缝挂渣比锥形喷嘴切割得到的挂渣略有增多,主要是设计的喷嘴气体流速快,对熔化金属的推力增大,但是冷却作用也相应增强,因而在切缝根部,挂渣反而有增高的趋势。同时,由于气体流速快,熔化金属快速流动到切缝底部,从而表面倾斜条纹区域窄,表面质量好,如图11(b)所示,锥形喷嘴切割得到的倾斜条纹所占板厚比例始终高于0.5,而采用简易Laval喷嘴切割所得的对应值则低于0.1。

图 10. 不同切割速度下锥形喷嘴与简易Laval喷嘴的切缝形貌对比图。(a)(b) 1.2 m·min-1; (c)(d) 1.6 m·min-1; (e)(f) 2.0 m·min-1

Fig. 10. Comparison of kerf morphologies of tapered nozzle and simple Laval nozzle under different cutting speeds. (a)(b) 1.2 m·min-1; (c)(d) 1.6 m·min-1; (e)(f) 2.0 m·min-1

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图 11. 锥形喷嘴与简易Laval喷嘴的切割速度对切缝质量的影响。(a)挂渣高度;(b)倾斜条纹占板厚比例

Fig. 11. Effect of cutting speed on kerf quality for tapered nozzle and simple Laval nozzle. (a) Dross height; (b) fraction of oblique striation zone

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4 结论

增大激光功率和辅助气压,同时选择适当的切割速度有利于提高激光切缝表面质量,减少根部挂渣。实验得到的激光切割8 mm铝合金优化的工艺参数范围如下:激光功率为5.4 kW,切割速度为1.6~2 m·min^-1,离焦量为-4~-3 mm,辅助气压为1100~1500 kPa,采用该工艺参数能够得到切缝挂渣少、表面条纹较细的切缝。而当辅助气压增大至1900 kPa时,切缝表面质量最优。

实验提出设计简易Laval喷嘴取代普通锥形喷嘴,获得了更好的喷嘴出口气流形态,提高了中厚板铝合金的切割质量。通过对比得出,采用设计的Laval喷嘴切割得到的切缝表面倾斜条纹所占比例从0.5降为0.1,表面几乎没有粗大的倾斜条纹。实验结果对提高中厚板铝合金激光切缝质量具有指导意义。