中厚钢板激光氧气切割特性与机理研究

摘要

随着造船业、重型机械、大型压力容器、大型桥梁、核工业和军工领域的快速发展，中厚板激光切割技术的需求越来越多。通常随着钢板厚度增大，激光切割面条纹变粗、背面粘渣和侧向燃烧现象也越发严重。当激光切割 25mm以上的中厚钢板时，切割速度显著下降，切缝的可重复性也不佳。因此有必要对中厚钢板激光切割特性及其氧铁燃烧放热反应机理进行深入的研究，探索影响切割效率的本质因素，为提高切割质量、优化激光切割工艺、开发新型切割方法等提供理论依据。　　本文首先建立了大气环境激光中厚板切割试验研究系统，自主研制了适用于大气环境的中厚板切割专用长焦激光切割枪，并搭建了高速摄像系统和发射光谱观测系统对切割过程的各物理特征进行高速捕获。试验以 30mm 及以上厚度的低碳钢材料为研究对象，系统研究了各工艺参数对切割质量与切缝形貌的影响规律，在切割速度为0.5m/min-0.8m/min区域内获得了背面无粘渣的优良切缝，30mm厚钢板的极限切透速度可达1.2m/min。国外类似研究结果为激光切割32mm钢板时，切割速度仅仅为0.25m/min。针对中厚钢板激光切割背面易粘渣的问题，自主设计一种钢板背面除渣涂层，有效解决了碳钢板激光切割的粘渣难题，大幅度增加了厚钢板激光优质切割的工艺窗口。　　试验发现中厚钢板激光切割具有窄缝切割模式和宽缝切割模式两种典型的切割模式。氧气压力、激光离焦量对切割模式的转变有重要影响，当切割氧气压力高于 0.20MPa 时，呈现的都是宽缝切割模式；切割氧气压力较小时，且激光光斑尺寸较小时，会呈现窄缝切割模式。　　基于高速摄像图像传感技术，详细分析了激光切割过程中“窄缝切割模式”与“宽缝切割模式”切缝中液态高温区的动态行为，发现中厚钢板激光切割的切缝中存在激光直接照射的高温氧铁剧烈燃烧反应区“高亮区”、无激光照射的低温氧铁燃烧反应区“低亮区”和无激光照射与氧铁燃烧反应区“黑区”，并结合三种区域的动态行为特征分析了厚板激光切割两种典型切割模式的传热机理。　　通过高速摄像传感分析了窄缝-宽缝的转换过程，发现氧气压力对其影响较大。试验测量了大功率激光高速切割中厚钢板过程中单位摩尔铁发生氧铁反应的放热量，该值小于常规薄板激光切割所需的热量，说明高功率激光、高速度切割厚钢板的切割工艺具有更高的热效率、更低的热量损失。　　基于激光切割过程中氧分子将被激发和离解的观点，本文深入研究了激光切割过程中氧铁燃烧反应的本质。通过光谱仪分析了切缝高温区域的发射光谱，发现切缝中激光直接照射的液态高温区覆盖着由激光诱导产生的等离子体，在激光诱导等离子体与氧分子的剧烈碰撞作用下出现大量氧原子和+1 价氧原子离子这些高能级氧元素粒子。这说明激光切割钢板过程中，切缝中在激光等离子体中的氧分子将会被激发和离解生成氧原子和氧原子离子，也就是说参与氧铁燃烧反应过程的不仅仅是氧分子，还包括氧原子和氧原子离子等高能级氧元素粒子。通过质谱仪模拟实验和相关的理论分析进一步研究了氧分子被激发和离解的原因，结果发现激光切割起始引燃阶段主要依靠激光等离子体的作用激发和离解氧分子；而在激光稳定切割过程中，除了激光诱导的等离子体的关键作用，切缝中激光诱导等离子体产生的高能级氧元素粒子与铁剧烈燃烧反应产生的高温环境也有助于氧分子的激发和离解。　　理论分析了高能级氧元素粒子对氧铁反应过程的影响主要集中在三方面：1）与基态氧分子相比，高能级氧元素粒子与Fe原子反应过程产生更多的热量；2）与基态氧分子相比，高能级氧元素粒子在氧铁化学反应过程需要克服的能量壁垒较小，反应过程更容易进行，大幅度降低氧铁燃烧反应的引燃温度；3）与基态氧分子相比，激发态氧元素粒子的存在将大幅度加快氧铁燃烧反应速度，相同时间内能够让更多的铁参与反应，提高切割速度。　　根据高能级氧元素粒子能够提高切割效率原理，提出了一种激光-火焰复合切割新方法，依靠火焰在切缝中建立高温通道、维持金属等离子体动态稳定性，使得切割效率比常规激光切割效率提高很多。在 6000W 激光功率下，实现了140mm厚钢板的高速稳定切割，超越国外同类技术水平。　　针对中厚钢板激光氧气切割的特点，提出一种新的观点，即激光切割过程中激光诱导等离子体对中厚板激光氧气切割过程具有非常重要作用，不可忽视。这点与激光焊接以及激光薄板切割不同，它们为了提高金属对激光的吸收率而必须尽可能避免或者排除等离子体的影响。本文提出的新观点有待今后更深入地探讨。

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