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，选择了具有不同导热性能的两种材料：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而备受研究关注。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的影响。

2. 实验详情

• 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。自制了混合加工头，使水与激光束同轴流动。
• 激光聚焦 ：使用两个透镜将激光束聚焦到直径约 220 μm 的光斑。为减少水中的吸收损失，选择合适的同轴水射流喷嘴尺寸，使激光束在入射到样品前传播距离最短。
• 水循环系统 ：设计了水循环回路，以保持连续水流并使水在闭环中循环。该系统可实现的水射流压力范围为 1 - 16 bar，最大压力受光学元件损伤阈值限制。不同压力下的水射流速度实验测量结果如下表所示：
  | 水停滞压力 (bar) | 水射流速度 (m/s) |
  | — | — |
  | 2 | 15 |
  | 3 | 20 |
  | 5 | 25 |
  | 7 | 30 |
  | 10 | 36 |
  | 13 | 41 |