8、水射流辅助水下激光切割热影响区的实验研究与有限元模拟

水射流辅助水下激光切割热影响区的实验研究与有限元模拟

1. 研究背景与目的

在材料加工领域，热影响区（HAZ）的研究至关重要。为了评估不同材料在水射流辅助水下激光切割过程中热影响区的行为，选取了具有不同热传导特性的两种材料：低碳钢（SAE 1020）和钛（CpTi - G1）。低碳钢常用于工业和家庭结构，而钛因其在生物医学植入物和航空航天工业的潜在应用备受关注。研究旨在探究激光功率、切割速度、水射流压力等工艺参数对热影响区行为的影响。

2. 实验详情

2.1 实验设备

• 采用连续波（CW）2 kW Yb 光纤激光器，波长为 1.07 μm。
• 激光束传输系统安装在 5 轴 CNC 工作站上，最大移动速度可达 25 m/min。
• 自主设计并制造了混合加工头，使水能够与激光束同轴流动。

2.2 实验材料

• 选用厚度分别为 0.4 mm 的低碳钢（SAE 1020）和 0.15 mm 的钛（CpTi - G1）薄板。

2.3 水射流参数

• 水射流压力范围为 1 - 16 bar，由光学元件的损伤阈值限制最大压力。
• 不同水射流压力下的水射流速度如下表所示：
  | 水滞止压力 (bar) | 水射流速度 (m/s) |
  | — | — |
  | 2 | 15 |
  | 3 | 20 |
  | 5 | 25 |
  | 7 | 30 |
  | 10 | 36 |
  | 13 | 41