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鋼化玻璃是平板玻璃經(jīng)加熱淬冷處理后形成的，具有抗彎、承載能力強(qiáng)、破裂后無銳角、抗熱炸裂等優(yōu)點(diǎn)。其廣泛應(yīng)用于航天飛行器、武器裝備、汽車擋風(fēng)玻璃、電子產(chǎn)品屏幕、高層建筑門窗、家具等。由于鋼化玻璃具有非常高的硬脆性，在激光切割過程中會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生并發(fā)生破裂。英國SALMAN借助有限元軟件ABAQUS分析了激光切割速度對(duì)應(yīng)力的影響，并優(yōu)化了切割路徑。TSAI在用CO2激光切割LCD玻璃時(shí)利用應(yīng)力誘導(dǎo)材料沿切割方向分離，并分析了裂紋的形成機(jī)理。浙江工業(yè)大學(xué)WANG等人采用CO2激光在液晶玻璃基板上預(yù)置初始裂紋, 用CO2激光作為熱源對(duì)其進(jìn)行加熱并用Ar氣進(jìn)行冷卻。陜西理工學(xué)院HOU等人采用仿真分析法和對(duì)比試驗(yàn)法對(duì)飛機(jī)蒙皮材料的疲勞性能進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究了激光切割對(duì)飛機(jī)機(jī)身蒙皮材料疲勞性能的影響。結(jié)果表明, 激光切割對(duì)飛機(jī)機(jī)身蒙皮材料疲勞性能有一定的影響，但通過切縫打磨處理會(huì)提高其疲勞壽命。本文中將特定波長(zhǎng)的會(huì)焦激光束導(dǎo)入高速流動(dòng)的水束，使激光在水與空氣界面發(fā)生多次全反射后形成橫截面能量均勻分布的高能束射到工件上，與工件材料、水發(fā)生復(fù)雜的熱、力等物理和化學(xué)作用以實(shí)現(xiàn)切割，可有效彌補(bǔ)目前金剛石切割鋼化玻璃的不足。

1.   微水導(dǎo)激光耦合模型

激光耦合即激光束在微水束中發(fā)生多次全反射后形成高能量束并在微水束中傳輸?shù)倪^程。耦合期間激光束要依次經(jīng)過空氣層、玻璃層L1、水層L2并進(jìn)入到水束光纖的開始端[13-14]，如圖 1所示。

Figure 1.  Sketch map of coupling of laser beam & water beam

激光光束在水束中發(fā)生全反射的條件是入射角θ1不大于入射角αmax。由于在耦合過程中，玻璃厚度很薄，假設(shè)光線在經(jīng)由玻璃層時(shí)是直線傳輸，則發(fā)生臨界全反射時(shí)，有：

由圖 1可得：

由(1)式~(4)式，得到：

式中, n1為激光在空氣中的折射率，n2為激光在水中的折射率，C為臨界入射角，r為激光束聚焦前的光斑半徑，H0為凸透鏡焦距。當(dāng)n1=1，n2=1.33時(shí)，由(6)式得到：θ1, max=61.3°。本文中選用r=10mm，H0=50mm，則實(shí)際入射角θ1=11.5° < θ1, max，滿足激光束全反射的條件。

第2個(gè)重要耦合條件是微水束的穩(wěn)定性。受水束內(nèi)外紊亂、水束表面張力、水束速度分布以及周圍空氣的影響，水束的表面高度呈周期性波動(dòng)，一旦表面波動(dòng)的振幅超過至高值，被導(dǎo)引的激光將從水束中發(fā)散出來。本文中采用FLUENT軟件對(duì)注水口數(shù)量、耦合腔頂部薄水層壓力、耦合器內(nèi)部流體壓力對(duì)噴嘴水射流穩(wěn)定性的影響進(jìn)行數(shù)值分析，保證噴嘴小孔噴射出的微水束射流均勻穩(wěn)定，破碎長(zhǎng)度大。

2.   耦合裝置的設(shè)計(jì)

耦合裝置是實(shí)現(xiàn)激光與微水束耦合并傳輸?shù)年P(guān)鍵部件。耦合裝置主要由噴嘴體、進(jìn)水孔、O型圈、噴嘴支架等組成，如圖 2所示。本文中將噴嘴設(shè)計(jì)成圓柱形，目的是為了延長(zhǎng)微水束的破碎長(zhǎng)度?？紤]到激光的能量密度比較大，且激光要在噴嘴內(nèi)部發(fā)生全反射，故噴嘴材料選用耐熱性比較好的銅。各參量具體數(shù)值為：噴嘴長(zhǎng)度為10mm，噴嘴直徑為0.4mm，耦合間隙為0.4mm。噴嘴體頂部的定位圓柱體6與噴嘴支架4通過螺紋連接，高壓水從左右兩側(cè)的注水口注入耦合裝置，并進(jìn)入噴嘴體與光學(xué)玻璃之間形成的耦合間隙，然后通過噴嘴片上的噴嘴將耦合之后的光液高能束噴射出來。圖 3為耦合裝置的實(shí)物照片。

Figure 2.  Drawing of coupling device

Figure 3.  Coupling device

3.   耦合腔內(nèi)流場(chǎng)仿真

3.1   耦合腔頂部激光入射口的壓力分布

耦合腔采用Pro/Engineer進(jìn)行3維建模，并用GAMBIT軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分采用Tri-Quad自動(dòng)生成網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格后，設(shè)置邊界，并輸出網(wǎng)格文件。用FLUENT軟件打開此網(wǎng)格文件，并設(shè)計(jì)各個(gè)參量、求解器及初始條件等，然后進(jìn)行求解。為了對(duì)比不同的注水方式對(duì)微水導(dǎo)激光切割質(zhì)量的影響，進(jìn)而優(yōu)化耦合裝置的結(jié)構(gòu)，論文依次做了單注水口、雙注水口和四注水口的水流場(chǎng)數(shù)值模擬。

首先是殘差圖的收斂計(jì)算，設(shè)計(jì)的收斂參量為1×10-3。圖 4為殘差圖的收斂計(jì)算結(jié)果，橫坐標(biāo)為迭代次數(shù)，縱坐標(biāo)為殘差值的大小。圖 5為單注水口耦合腔頂部水流入口壓力分布圖，縱坐標(biāo)為水束壓力大小(MPa)。由圖 5可以看出：當(dāng)水束壓力為10MPa時(shí)，水流入口處壓力分布非常不均勻，具有明顯的各向異性，且注水口一側(cè)的壓力明顯較大；隨著水束壓力的不斷增大，水束壓力的各向異性逐漸減弱，在水束壓力達(dá)到20MPa時(shí)，入口的水壓趨近均勻。

Figure 4.  Residual diagram

Figure 5.  Pressure distribution in thin water layer region at the top of coupling cavity in single water injection nozzle

3.2   耦合腔內(nèi)整體壓力分布

由于單注水口耦合腔得到的水流場(chǎng)并不均勻，注水口的開口位置對(duì)頂端薄水層水壓的影響較顯著，進(jìn)而影響切割質(zhì)量。根據(jù)流體力學(xué)原理，注水口需要對(duì)稱分布。鑒于此，本文中設(shè)計(jì)了雙注水口的耦合腔和四注水口進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化。其耦合腔流場(chǎng)分別如圖 6所示。

Figure 6.  Pressure distribution of coupling cavity

通過對(duì)比單注水口、雙注水口以及四注水口的水流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙注水口的壓力分布比單注水口的壓力分布更均勻，即水流場(chǎng)更為穩(wěn)定，利于水束與激光束的耦合；四注水口比也雙注水口得到的流場(chǎng)穩(wěn)定，從而驗(yàn)證了耦合裝置的理論設(shè)計(jì)。

3.3   噴嘴水射流穩(wěn)定性仿真

經(jīng)光液耦合后的水束噴射到空氣中的情況是比較復(fù)雜的。水束會(huì)在噴口處發(fā)生縮流，水束會(huì)突然縮小為原來的80%，然后水束在空氣壓力的作用下，其直徑又慢慢變大，最終導(dǎo)致激光束從水束中逃逸。噴嘴口的大小和水束的流速均會(huì)影響噴射流長(zhǎng)度，本次仿真選取水束壓力為20MPa，依次對(duì)0.3mm, 0.4mm及0.5mm 3種口徑噴嘴射出的水束穩(wěn)定性進(jìn)行仿真，如圖 7所示。本次仿真設(shè)置的邊界為100mm。

Figure 7.  Stability simulation of water beam with different nozzle diameter

仿真結(jié)果顯示：噴嘴口徑越大，水束射流的破碎長(zhǎng)度越大，但激光微水束切縫寬度也將越大。在水束壓力為20MPa時(shí)，口徑0.3mm的噴嘴的有效破碎長(zhǎng)度約為60mm，口徑0.4mm的噴嘴的破碎長(zhǎng)度約為80mm，口徑0.5mm的噴嘴的破碎長(zhǎng)度達(dá)到90mm左右。綜合考慮各因素，選取噴口口徑為0.4mm、水束壓力為20MPa、紫外激光功率為48W、重復(fù)頻率為100kHz，分別對(duì)0.5mm及1.0mm厚的鋼化玻璃進(jìn)行微水導(dǎo)激光切割實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，切割速率為20mm/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，厚度為0.5mm及1.0mm的玻璃試樣的切割表面均比較光滑、基體內(nèi)無微裂紋存在，切縫寬度約為100μm，但1.0mm厚的玻璃試樣切割邊緣有毛刺及崩邊現(xiàn)象出現(xiàn)(如圖 8所示)。圖 9為在實(shí)驗(yàn)室已有的HT-3P激光加工系統(tǒng)上進(jìn)行了一定改造，搭載YPP300光纖激光器，并配置了光液耦合裝置。

Figure 8.  Samples after laser cutting

Figure 9.  HT-3P laser processing system

4.   結(jié)論

(1) 水壓在10MPa~20MPa之間時(shí)，薄水層的壓力分布隨著進(jìn)水壓力的上升而逐漸變得均勻，但是它的水壓不夠均勻的情況并沒有得到根本的改變。水射流仿真時(shí)，0.4mm和0.5mm噴嘴得到的射流破碎長(zhǎng)度較長(zhǎng)，噴嘴越大，水射流長(zhǎng)度就越長(zhǎng)，但是在達(dá)到加工工件的長(zhǎng)度要求的情況下，盡量使噴嘴口徑小。

(2) 在噴口口徑為0.4mm、水束壓力為20MPa、激光功率為48W、切割速率為20mm/s時(shí)進(jìn)行玻璃的微水導(dǎo)激光切割。厚度為0.5mm及1.0mm的玻璃試樣的切割表面均比較光滑、基體內(nèi)無微裂紋存在，切縫寬度約為100μm，但1.0mm厚的玻璃試樣切割邊緣有毛刺及崩邊現(xiàn)象出現(xiàn)。

注明：文章出處：激光技術(shù)網(wǎng) http://www.jgjs.net.cn/cn/article/doi/10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2017.02.020