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. 研究背景与材料选择

在水射流辅助水下激光切割领域，热影响区（HAZ）的研究至关重要。为了评估不同材料在该切割过程中的热影响区行为，基于材料的热导率及其随温度的响应特性，选择了两种具有不同热传导行为的材料：低碳钢（SAE 1020）和钛（CpTi - G1）。低碳钢薄板通常用作结构钢，广泛应用于工业和家庭领域；而钛因其在生物医学植入物和航空航天工业中的众多潜在应用，一直是研究的热点。本次研究的目的还在于探究激光功率、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. 实验细节

• 实验设备 ：使用一台连续波（CW）2 kW 的 Yb 光纤激光器，波长为 1.07 μm。激光束传输系统安装在一个 5 轴 CNC 工作站上，最大移动速度可达 25 m/min。实验还设计并自制了一个混合加工头，使水能够与激光束同轴流动。
• 激光聚焦 ：使用两个透镜将激光束聚焦到直径约为 220 μm 的光斑。为了减少水中的吸收损失，选择了合适尺寸的同轴水射流喷嘴，使激光束在入射到样品前的传播距离最小。
• 水流动系统 ：设计了一个水流动回路，以保持连续流动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，最大压力受所用光学元件的损伤阈值限制。不同压力下的水射流速度实验测量结果如下表所示：
  | 水静止压力 (bar) | 水射流速度 (m/s) |
  | ---- | ---- |
  | 2 | 15 |
  | 3