气化切割与打孔技术优化方案

气化切割时，聚焦光束首先加热工件表面使之达到沸点并形成匙孔，由于激光在匙孔内的多次反射使得吸收率骤然增加，孔深迅速增大，随着孔深的增加，蒸气产生并从孔或切缝内喷射逸出从而使孔壁稳定地熔化^[3]，这便是脉冲激光打孔和激光切割不熔材料如木制品、炭制品以及某些塑料制品激光切割的常用方法。

假设热流是一维的，也就是说热传导为零，并且所有热量都用于气化过程，则激光束在工件内的贯穿率可以由工件的集总热容量计算推测出。如果穿透率接近于或快于热传导率，这些初步假设就是大致合理的。

因此，每秒钟单位面积上移除的体积就等于穿透速率v（m/s），即：

v=F₀/{ρ[L+C_p（T_V-T₀）]} （3.1）

式中 F₀——吸收的功率密度（W/m²）；

ρ——固体密度（kg/m³）；

L——熔化或气化潜热（J/kg）；

C_p——固体热容量[J/（kg·℃）]；

T_V——气化温度（℃）；

T₀——材料初始温度（℃）。

如果我们在这个等式中针对不同的材料代入相应的值，就能得到其可能的最大穿透速率的近似值。

假设一个2kW的激光束聚焦成0.2mm直径的光斑，此时的功率密度为：

这种光束在不同材料中的穿透速率值列于表3.3。上述穿透速率数据与试验测定值处于同一数量级水平^[4]。假设穿透速率为1m/s左右，那么圆柱形孔内的气化速率就是ρ_V/ρ_S=1000m/s。在这样的声速下，压缩效应和匙孔形状不断变化，就意味着气化气体逸出的实际速率要小得多，但即便如此，声速流和冲击波都会产生，这对所形成的匙孔壁的蚀刻效应会有相当大的拉动作用。因此，对这种激光切割而言，被切材料物质一部分是以气化物形态，另一部分是以喷溅物的形态移除的。Gagaliano和Paek^[6]根据他们的经验推测，大约60%的材料是以喷溅物形态移除的。

表3.3 在功率密度为6.3×10¹⁰W/m²时材料性能的穿透速率v以及气化时间T_v^[4，5](www.xing528.com)

上述结论已被Voisey等人根据激光打孔过程中对喷溅物的详细分析而证实^[7]。他们发现，除了像钨等重金属外，其他大多数金属中，熔融喷溅物所占比例为35%～60%，而钨则接近10%。他们还指出，喷溅物微粒的尺寸大小随着脉冲能量或脉冲宽度的减小而增大，较大尺寸喷溅物微粒一般出自于低功率、长脉冲。在2.5J、0.5ms的脉冲情况下，平均微粒尺寸大约是10μm。他们使用高速照相机研究发现，在1.4J、0.5ms脉冲情况下，喷射的平均速率接近8m/s，在2.4J、0.5ms脉冲情况下是13m/s，这些都与Ng和Li^[8]的研究结果相一致。喷射速率具有一定的范围，据估计，它与微粒尺寸大小和方向有关。

匙孔或切口质量由金属熔融体的数量多少而定。熔融体可能逐渐积累进而在表面产生碎渣或对匙孔壁造成侵蚀痕，因此，估算多长时间能达到熔体的沸点以及揭示如何尽量减少熔体的量是很有意义的。

在能量输入恒定和一维热传导的情况下，激光照射开始后任意时间里的表面温度可由下式给出（参看第5章）：

T（0，t）=（2F₀/K）[（αt）/π]¹/2 （3.2）

式中 α——热扩散率（α=K/ρC_p）（m²/s）；

K——传热系数[W/（m·K）]；所以t_v——π/α[（T_BK）/（2F₀）]²。

由此计算出2kW激光束作用下出现蒸发现象的时间列于表3.3。此时的温度梯度在铁中大约可穿透2_μm（假设傅里叶数x²/at=1），因此可以看出，在这种情况下，预期的热影响区（HAZ）是小的，先前的计算由于忽略了热传导影响，所以是不合适的。

由这个计算可以看出，光束的峰值功率是非常重要的。用YAG激光打孔时，必须特别注意设计脉冲形状随时间的变化，通常是以短而尖的脉冲用于切割，而激光焊接恰恰相反，采用的是降低峰值功率的长脉冲。

在玻璃上打孔对脉冲的成形要求可能是很严格的^[9]，但是当物理过程不再是热量问题时，除了脉冲时间极短（＜10^-3s或＜100fs）的情况之外，一般而言，脉冲的成形并不特别重要^[10]。一个脉宽为10^-13s1mJ脉冲的功率将达到10¹⁰W或10GW，如此大的功率下，强电场足以使固态物质电离，使原子在库仑力作用下相互排斥，蒸发速率极高（＞1000m/s），而且在激光脉冲持续稍长的时间内就可能出现，由此产生的烧蚀在进行切割、打孔或其他加工都显示出很小或没有热影响区产生，但是由于凝聚态等离子体的影响，可能有极少量的飞溅物。

这种近乎爆炸式的蒸发带来了大量的次生效应，其中之一就是蒸气加速逃逸时产生的反冲压力，当逃逸速度在1000m/s时，即便假设气流不可压缩，也可根据伯努利（Bernoulli’s）方程估算出产生的反冲压力值：

ΔΡ=ρ_Vv²/2=4×10⁶N/m²

一个大气压是10⁵N/m²，这个量级压力值的升高将会引起蒸发温度增高，在工件表面产生应力，而这种应力又会因受热表面的热应力而增强，二者叠加的作用相当强，如果施加极快，在数纳秒（10^-9s）之内，则其效应类似于短促的敲击，像受到喷丸撞击一样，这过程就是众所周知的冲击硬化工艺，将在第6章6.18节讨论。