鋼化(hua)玻璃是平板玻璃經加(jia)熱(re)淬冷處理后形(xing)成的(de)(de)，具有抗彎(wan)、承載能力強(qiang)、破(po)裂(lie)后無銳角(jiao)、抗熱(re)炸裂(lie)等(deng)優點。其廣(guang)泛應用(yong)于(yu)航天飛行(xing)器、武器裝備、汽車擋風玻璃、電子產品屏(ping)幕、高(gao)層建(jian)筑(zhu)門窗、家(jia)具等(deng)。由于(yu)鋼化(hua)玻璃具有非常高(gao)的(de)(de)硬脆性(xing)，在激光切割過程中會(hui)產生(sheng)很(hen)大的(de)(de)熱(re)應力，導(dao)致裂(lie)紋產生(sheng)并(bing)發生(sheng)破(po)裂(lie)。英國SALMAN借(jie)助有限(xian)元(yuan)軟(ruan)件(jian)ABAQUS分析(xi)了激光切割(ge)速度對應(ying)力的影(ying)響，并優化(hua)了切割(ge)路徑。TSAI在(zai)用CO2激光切割LCD玻璃時利用應(ying)力誘導材料(liao)沿(yan)切割(ge)方向(xiang)分離(li)，并分析了裂紋的(de)形(xing)成(cheng)機理。浙(zhe)江工業(ye)大(da)學(xue)WANG等人(ren)采(cai)用CO2激(ji)光在液晶玻璃基板(ban)上預置初始(shi)裂(lie)紋, 用CO2激光作為熱源對(dui)其進行加熱并用Ar氣進行冷卻。陜西理工學院(yuan)HOU等人采用(yong)仿真分析(xi)(xi)法(fa)和對(dui)比試驗法(fa)對(dui)飛機蒙(meng)皮(pi)材料(liao)的(de)疲(pi)勞(lao)性(xing)能進(jin)行了(le)理(li)論分析(xi)(xi)和實驗驗證，研究了(le)激光切割(ge)對(dui)飛機機身蒙(meng)皮(pi)材料(liao)疲(pi)勞(lao)性(xing)能的(de)影響。結(jie)果(guo)表明, 激光(guang)切割(ge)對飛機機身蒙(meng)皮材料(liao)疲勞性能有一定的(de)(de)影響，但通過切縫打磨(mo)處(chu)理(li)會提高其疲勞壽命。本文中將特(te)定波(bo)長(chang)的(de)(de)會焦激光(guang)束(shu)導(dao)入高速流動的(de)(de)水束(shu)，使激光(guang)在(zai)水與空氣界面(mian)發生多次全反射(she)后形(xing)成橫截面(mian)能量均勻分布的(de)(de)高能束(shu)射(she)到工件(jian)上，與工件(jian)材料(liao)、水發生復雜的(de)(de)熱、力等物理(li)和化學(xue)作用(yong)以(yi)實現切割(ge)，可有效彌補目(mu)前金剛石切割(ge)鋼化玻璃的(de)(de)不(bu)足。
1. 微水導激(ji)光耦合模型
激(ji)光耦(ou)合即(ji)激(ji)光束(shu)在(zai)(zai)微水束(shu)中發生多次全反射后形成高能量束(shu)并在(zai)(zai)微水束(shu)中傳輸的過程。耦(ou)合期間(jian)激(ji)光束(shu)要依次經(jing)過空氣層(ceng)、玻璃層(ceng)L1、水層L2并進入到(dao)水束(shu)光纖的開始(shi)端[13-14]，如圖 1所(suo)示(shi)。
Figure 1. Sketch map of coupling of laser beam & water beam
激(ji)光(guang)光(guang)束在水束中發生全反射(she)的(de)條件是(shi)入射(she)角(jiao)θ1不大于(yu)入射角αmax。由于在耦(ou)合過(guo)程中，玻璃厚度很薄，假(jia)設光線在經由玻璃層時是直線傳輸(shu)，則發生臨界全反射時，有：
由圖 1可得(de)：
sinθ1sinθ2=n2n1sinθ1sinθ2=n2n1 | (2) |
由(1)式~(4)式，得(de)到：
θ1≤arcsinnn22?1√n1θ1≤arcsinnn22?1n1 | (6) |
式中, n1為激光在(zai)空氣中的折射率，n2為激光在(zai)水中的折射率，C為臨界入射角，r為激(ji)光(guang)束(shu)聚(ju)焦前的(de)光(guang)斑半徑，H0為凸透鏡焦距(ju)。當n1=1，n2=1.33時，由(you)(6)式得到：θ1, max=61.3°。本文中選用r=10mm，H0=50mm，則實(shi)際入射角θ1=11.5° < θ1, max，滿足激(ji)光束全反射的條件。
第2個(ge)重要耦(ou)合(he)條件是微水(shui)(shui)束(shu)的(de)穩定性。受水(shui)(shui)束(shu)內外紊亂(luan)、水(shui)(shui)束(shu)表面(mian)張力、水(shui)(shui)束(shu)速度分(fen)布以及周(zhou)圍空氣的(de)影響(xiang)，水(shui)(shui)束(shu)的(de)表面(mian)高度呈周(zhou)期性波動，一旦表面(mian)波動的(de)振幅(fu)超(chao)過至(zhi)高值，被導引的(de)激(ji)光將從水(shui)(shui)束(shu)中發散出(chu)來(lai)。本文(wen)中采用FLUENT軟件對(dui)注水(shui)(shui)口數量、耦(ou)合腔頂部薄水(shui)(shui)層壓(ya)力(li)、耦(ou)合器內部流體壓(ya)力(li)對(dui)噴(pen)嘴(zui)水(shui)(shui)射(she)流穩定(ding)性的(de)影響進行數值分析，保證(zheng)噴(pen)嘴(zui)小孔(kong)噴(pen)射(she)出(chu)的(de)微水(shui)(shui)束(shu)射(she)流均勻穩定(ding)，破碎長度(du)大。
2. 耦合裝置(zhi)的(de)設計
耦(ou)(ou)合裝置是實現(xian)激光與微(wei)水(shui)束耦(ou)(ou)合并(bing)傳輸的(de)關鍵部件。耦(ou)(ou)合裝置主要由噴(pen)嘴(zui)體、進(jin)水(shui)孔、O型圈、噴嘴支架等組成，如(ru)圖 2所(suo)示。本(ben)文中將噴嘴(zui)(zui)設計成圓柱形(xing)，目(mu)的是為(wei)了延長微水束(shu)的破碎(sui)長度。考慮(lv)到激(ji)光(guang)的能量密度比較(jiao)大，且激(ji)光(guang)要在噴嘴(zui)(zui)內部(bu)發生全反射，故噴嘴(zui)(zui)材料選用耐熱(re)性比較(jiao)好(hao)的銅。各參量具體數值為(wei)：噴嘴(zui)(zui)長度為(wei)10mm，噴(pen)嘴直徑為0.4mm，耦合間隙(xi)為0.4mm。噴嘴體(ti)(ti)頂部的定位(wei)圓柱體(ti)(ti)6與噴嘴支架4通過螺紋連(lian)接，高(gao)壓(ya)水從(cong)左(zuo)右兩側的(de)(de)注水口(kou)注入耦(ou)合裝(zhuang)置，并進入噴嘴體與光學玻璃之間(jian)形成的(de)(de)耦(ou)合間(jian)隙(xi)，然后通過噴嘴片上的(de)(de)噴嘴將耦(ou)合之后的(de)(de)光液高(gao)能(neng)束噴射出來(lai)。圖 3為耦合裝置的實物照片(pian)。
Figure 2. Drawing of coupling device
Figure 3. Coupling device
3. 耦合腔內流場仿真
3.1 耦合腔頂(ding)部激光入射口的壓(ya)力(li)分布(bu)
耦合腔采用Pro/Engineer進行(xing)3維建模，并用GAMBIT軟件進行網格(ge)劃(hua)分(fen)，網格(ge)劃(hua)分(fen)采用Tri-Quad自(zi)動生成網(wang)格(ge)。劃(hua)分網(wang)格(ge)后，設置(zhi)邊界(jie)，并輸出網(wang)格(ge)文(wen)件。用FLUENT軟件打開此網格文件，并設(she)計(ji)各個參量(liang)、求(qiu)解器及初(chu)始條件等，然后進行求(qiu)解。為(wei)了(le)對比不同的注(zhu)水方式對微水導激光切割質量(liang)的影響(xiang)，進而(er)優化耦合裝置的結(jie)構，論文依次做(zuo)了(le)單注(zhu)水口(kou)、雙(shuang)注(zhu)水口(kou)和(he)四(si)注(zhu)水口(kou)的水流場數(shu)值模擬。
首(shou)先是殘(can)差圖的收(shou)斂計算，設(she)計的收(shou)斂參量(liang)為1×10-3。圖 4為殘差圖的收斂計算結果，橫坐標為迭代(dai)次(ci)數，縱坐標為殘差值的大小。圖 5為單注水口(kou)耦(ou)合(he)腔頂(ding)部(bu)水流(liu)入(ru)口(kou)壓力分布圖，縱坐標為水束壓力大(da)小(MPa)。由圖 5可以看出：當水束壓力(li)為10MPa時，水(shui)流入(ru)口(kou)處壓(ya)(ya)(ya)力(li)分布非常(chang)不(bu)均勻(yun)，具有明顯的各向異性，且注水(shui)口(kou)一側(ce)的壓(ya)(ya)(ya)力(li)明顯較(jiao)大(da)；隨著(zhu)水(shui)束壓(ya)(ya)(ya)力(li)的不(bu)斷增大(da)，水(shui)束壓(ya)(ya)(ya)力(li)的各向異性逐漸(jian)減弱(ruo)，在水(shui)束壓(ya)(ya)(ya)力(li)達到20MPa時(shi)，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(ou)合(he)腔內整(zheng)體(ti)壓(ya)力分布
由于(yu)(yu)單注水(shui)口(kou)(kou)耦(ou)合腔得到的(de)水(shui)流場并不均勻，注水(shui)口(kou)(kou)的(de)開(kai)口(kou)(kou)位置對(dui)(dui)頂端薄水(shui)層水(shui)壓的(de)影響較顯著，進(jin)而影響切(qie)割質量。根(gen)據流體力學原理，注水(shui)口(kou)(kou)需(xu)要對(dui)(dui)稱分布。鑒(jian)于(yu)(yu)此，本文中設計(ji)了雙(shuang)注水(shui)口(kou)(kou)的(de)耦(ou)合腔和四注水(shui)口(kou)(kou)進(jin)行(xing)對(dui)(dui)比優化。其耦(ou)合腔流場分別如圖 6所示。
Figure 6. Pressure distribution of coupling cavity
通過(guo)對比(bi)單注(zhu)(zhu)水(shui)(shui)(shui)口(kou)、雙(shuang)(shuang)注(zhu)(zhu)水(shui)(shui)(shui)口(kou)以及四注(zhu)(zhu)水(shui)(shui)(shui)口(kou)的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)流場(chang)(chang)數值模擬結果發(fa)現(xian)，雙(shuang)(shuang)注(zhu)(zhu)水(shui)(shui)(shui)口(kou)的(de)(de)壓(ya)力分布(bu)比(bi)單注(zhu)(zhu)水(shui)(shui)(shui)口(kou)的(de)(de)壓(ya)力分布(bu)更均(jun)勻，即水(shui)(shui)(shui)流場(chang)(chang)更為穩定，利于水(shui)(shui)(shui)束(shu)與激光束(shu)的(de)(de)耦(ou)合；四注(zhu)(zhu)水(shui)(shui)(shui)口(kou)比(bi)也(ye)雙(shuang)(shuang)注(zhu)(zhu)水(shui)(shui)(shui)口(kou)得到的(de)(de)流場(chang)(chang)穩定，從而驗(yan)證了(le)耦(ou)合裝置的(de)(de)理(li)論(lun)設(she)計(ji)。
3.3 噴嘴水射流穩定性仿真
經光液耦合后的水(shui)(shui)束噴(pen)射(she)到(dao)空氣中的情況是比較復雜的。水(shui)(shui)束會在噴(pen)口處發生縮(suo)(suo)流，水(shui)(shui)束會突然縮(suo)(suo)小(xiao)為原來的80%，然后(hou)水(shui)束(shu)在空氣壓(ya)力的(de)作用(yong)下，其直(zhi)徑(jing)又慢慢變大，最終導致激光束(shu)從水(shui)束(shu)中逃逸。噴(pen)嘴口的(de)大小和(he)水(shui)束(shu)的(de)流速(su)均會影(ying)響(xiang)噴(pen)射流長度，本次仿真(zhen)選取(qu)水(shui)束(shu)壓(ya)力為20MPa，依次對(dui)0.3mm, 0.4mm及0.5mm 3種口徑噴(pen)嘴射出的水束穩(wen)定性進行仿(fang)真，如圖 7所示。本次仿(fang)真設置的(de)邊界(jie)為100mm。
Figure 7. Stability simulation of water beam with different nozzle diameter
仿真結(jie)果顯(xian)示：噴嘴口徑越(yue)大，水(shui)束射流(liu)的破碎長(chang)度越(yue)大，但激光微(wei)水(shui)束切(qie)縫寬度也將越(yue)大。在水(shui)束壓力為20MPa時，口徑0.3mm的(de)噴嘴的(de)有效破(po)碎長度約為60mm，口徑(jing)0.4mm的噴嘴的破碎長度(du)約為(wei)80mm，口徑0.5mm的噴嘴的破碎(sui)長度達(da)到90mm左右。綜合考慮各因素，選取噴口(kou)口(kou)徑(jing)為0.4mm、水束壓力(li)為20MPa、紫(zi)外激光功率(lv)為48W、重(zhong)復頻率(lv)為(wei)100kHz，分別對0.5mm及1.0mm厚的鋼化玻璃(li)進行微水(shui)導激光切割實驗(yan)驗(yan)證，切割速率為20mm/s。實驗結果顯示，厚度為(wei)0.5mm及1.0mm的(de)玻(bo)璃試樣的(de)切割表面均比較光滑、基體(ti)內(nei)無微裂紋存在，切縫寬度約(yue)為100μm，但1.0mm厚(hou)的玻璃試樣切割邊(bian)(bian)緣有毛刺及崩邊(bian)(bian)現象(xiang)出(chu)現(如圖 8所示)。圖 9為(wei)在實驗室(shi)已有的HT-3P激光(guang)加工系統上進行了一定(ding)改造，搭載YPP300光(guang)纖激(ji)光(guang)器(qi)，并配置了光(guang)液耦(ou)合(he)裝置。
Figure 8. Samples after laser cutting
Figure 9. HT-3P laser processing system
4. 結論
(1) 水壓(ya)在10MPa~20MPa之間時，薄水層的壓(ya)力(li)分布隨(sui)著(zhu)進水壓(ya)力(li)的上升(sheng)而逐(zhu)漸變得(de)均(jun)勻，但是(shi)它的水壓(ya)不夠均(jun)勻的情況并(bing)沒(mei)有得(de)到(dao)根(gen)本(ben)的改變。水射(she)流(liu)仿(fang)真(zhen)時，0.4mm和0.5mm噴嘴(zui)得到(dao)的(de)射流破(po)碎長(chang)(chang)度較長(chang)(chang)，噴嘴(zui)越大，水(shui)射流長(chang)(chang)度就(jiu)越長(chang)(chang)，但是在達到(dao)加工工件的(de)長(chang)(chang)度要求(qiu)的(de)情況(kuang)下(xia)，盡量(liang)使(shi)噴嘴(zui)口徑小。
(2) 在(zai)噴(pen)口口徑(jing)為0.4mm、水束壓力為20MPa、激光功率為48W、切割速率為20mm/s時進行玻(bo)璃的微(wei)水導激光切割(ge)。厚度(du)為0.5mm及(ji)1.0mm的玻璃試樣的切(qie)割表(biao)面均(jun)比較光滑、基(ji)體(ti)內無微裂紋(wen)存在，切(qie)縫寬度約為100μm，但(dan)1.0mm厚的玻璃試樣(yang)切割邊緣有毛刺(ci)及崩邊現(xian)(xian)象出現(xian)(xian)。
注(zhu)明(ming)：文(wen)章出處(chu)：激(ji)光技術網(wang) //www.jgjs.net.cn/cn/article/doi/10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2017.02.020
