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旋转气流控制激光切割硅钢新技术研究 * 洪 蕾 1 米承龙1 陈武柱2 （1．上海海事大学机械系，上海 200135；2．清华大学机械工程系，北京 100084） 摘要针对目前激光切割工艺的优缺点，提出了采用氧辅助激光切割以降低所需激光切割功率，通过在工件底部加 设旋风除渣器，形成旋转气流控制熔渣流向以去除熔渣的激光切割硅钢新技术。采用 CO2激光器，对 0.5mm 厚度 硅钢片进行了切割试验，试验结果表明，通过旋转气流主动控制，当气流处于层流状态时，可在较低激光切割功率 时获得光滑的精细切口。利用有限元法对工件底部气流状况进行了数值模拟，验证旋转气流的工作规律，为合理 控制熔渣流向提供了理论依据。 关键词氧助激光切割 旋转气流 硅钢片 熔渣 中图分类号TG 485 0 前言 * 硅钢片是制造变压器、继电器等机电和电子产 品的重要材料。传统硅钢片制造工艺经过剪裁、冲 压叠装，将会产生内应力，从而使晶粒变形，导致 磁导率下降，比铁损增加[1]。激光切割是一种非接 触式的加工方式，加工过程无冲击，不存在刀具磨 损和断裂，没有材料受力变形等问题。采用激光切 割硅钢片技术， 可以简化冲片模具， 减少生产工序， 降低生产成本，易于实现生产过程自动化。 激光切割普通碳钢薄板工艺已近成熟，切口质 量可得到较好控制。但是对于含有较高 Si、Cr、Ni 等合金元素的硅钢，常规氧助激光切割工艺容易产 生挂渣和飞渣现象；采用高压高纯度氮气或惰性气 体辅助激光切割工艺造成切割效率的降低和生产成 本的提高，影响其广泛工业应用。故高效高质量激 光切割硅钢等特种钢材是一个诱人的并亟待解决的 问题。 为解决常规采用氧气和氮气辅助激光切割特种 钢材不足，许多学者对一些特种钢的激光切割进行 了研究，提出了不同的解决方案[2-4]。研究表明，采 用层叠切割法[2][3]， 通过提高熔融体流动性来提高熔 融产物的流出速度，可以改善激光切口质量；采用 纵列喷嘴切割法[3]和超音速拉伐尔喷嘴切割法[4]， 通 过提高喷嘴压力而又避免形成正激波，增加对熔渣 的气流吹力，改善切割质量。这些方法都有一定的 局限性，如层叠切割法造成材料的额外浪费；纵列 喷嘴切割法无法得到完全无粘渣的切割板材；拉伐 ∗ 上海市高等学校科技发展基金重点项目资助（07ZZ101） 、上海市科技 启明星项目资助（07QA14027）和上海市重点学科建设项目资助 （T0601） 尔喷嘴形状复杂，加工困难，对加工精度要求高， 加工成本比传统喷嘴高。本试验目的在于通过在工 件底部增设旋风除渣器，形成旋转气流控制熔渣流 向以去除熔渣的激光切割工艺，实现高效高质量激 光切割硅钢片。 1 旋转气流激光切割试验装置 激光切割设备采用 Trumpf TC L 4030 CO2激 光切割机，激光器输出光束直径为 10mmTEM00 的 激光束，输出功率为 1 800～4 000W 可调。采用飞 行光路系统， 经计算机数控 （CNC，Computer number control）控制焦点，最大切割速度可达 85m/min，位 移精度为 0.02mm。使用 127mm 聚焦镜，焦点光斑 直径为 0.1mm，吹气喷嘴直径为 2mm。为确保吹气 的稳定性，高压气体先经一组气体过滤器及调压阀 先行降压， 进入吹气喷嘴前再经一由 CNC 程式控制 的电控调压阀， 使吹气与激光的输出达到最佳同步。 试验所用工件材料选用 0.5mm 厚， Si 的质量分 数为 2.7的硅钢片，其化学成分见表 1。 表 1 硅钢片的化学成分（wt） 元素Si C Mn S P 含量2.7 0.04～0.55 0.03～0.06 0.02～0.03 0.03～0.04 2 旋转气流激光切割硅钢片工艺试验 2.1 旋风除渣器辅助激光切割硅钢片工艺试验方法 氧助激光切割工艺中，氧化反应供给的热量约 为激光切割所需总能量的 2/3 以上[5][6]， 切割所需激 光功率大幅度降低，但在切割硅钢片过程中由此产 07-592 删除的内容删除的内容 如层叠切割法 造成材料的额外浪费；纵列 喷嘴切割法无法得到完全无 粘渣的切割板材；拉瓦尔喷 嘴形状复杂，对加工精度要 求高，加工成本比传统喷嘴 高。 删除的内容删除的内容 删除的内容删除的内容 激光切割是一 个热作用过程，难易程度由 材料热物理性能决定而与机 械性能无直接联系，并由于 其具有高度柔性使切割复杂 轮廓成为可能。同时， 删除的内容删除的内容 不但 删除的内容删除的内容 ， 而且还能满足 硅钢片剪裁工艺的特殊要 求，改善产品机、电性能 删除的内容删除的内容 删除的内容删除的内容 为解决常规采 用氧气和氮气辅助激光切割 特种钢材不足，许多学者对 此进行了研究，提出了许多 不同的解决方案[2-4]。 删除的内容删除的内容 这是比较惰性 气体或氮气辅助切割的最大 优势。 生大量具有较大的粘滞系数，不易被普通喷嘴辅助 切割气体吹除的 SiO2和铁硅氧化物杂质。因此，试 验采用氧助激光切割，在同轴辅助切割气体之外， 在工件底部加设旋风除渣器，形成旋转气流控制熔 渣流向以去除熔渣的激光切割工艺，既利用氧化反 应放热提供的大量热源以降低激光功率，又获得了 理想的精细切口， 实现高效高质量激光切割硅钢片。 激光切割过程中，材料在激光的高温辐照下成 为具有一定粘性的熔融流，并具有层流和紊流两种 流动形态特征。一直以来人们普遍认为，激光功率 和切割速度等工艺参数是影响加工质量的主要因素 [5][7][8]。但是，研究表明[9]，加工过程的外部干扰， 例如辅助气流的扰动、加工环境气流的变化、加工 表面的变化等，都可能成为引起紊流形成的直接原 因，而紊流的形成又直接导致多种类型加工表面质 量的形成，最终影响了工件的表面质量。因此，一 方面要根据有关数学模型，合理选择激光功率和切 割速度等工艺参数，尽可能增加材料对能量的吸收 利用率； 另一方面尽可能保证相对稳定的加工环境， 减少干扰源，减少或降低熔化切割过程中引发猝发 现象的各种因素，避免发生紊流过程。 通常用雷诺数来判断层流和湍流 [10]。 当雷诺数 小于 2000 时， 圆管内的流动是层流； 大于 4000 时， 圆管的流动是湍流；介于两者之间时，则处于由层 流向湍流转变的不确定状态。在激光切割中，喷嘴 直径大于切口直径。其气流作用区域为切口长方形 和半圆形相交，对于这种截面形状，当量直径可按 截面积的四倍和截面周长之比计算[11]。经计算，标 准状态下，气体密度 1.225kg/m3，气体的平均速度 4.915～58.976m/s，动力粘度μ1.7894e-05kg/m.s。 取激光的喷嘴直径为 1～1.5mm，切缝宽度为 0.1～ 0.5mm，面积为 0.2628～0.7676mm2，切面周长为 1.257～3.57mm，得到的雷诺数范围为 70～3472。 由此可知，在切割缝里的气流处于层流或者由层流 向湍流转变的不确定状态。这种层流和湍流的出现 都是随机的，切割断面瞬时的流速呈现相当复杂的 状况， 切割得到的平面不平整， 呈现无规则的条纹， 切割面存在大量熔渣。 激光切割中同轴气流的吹入和底部气流的吸出 都是控制边界层分离的手段，同时也对边界层流动 的稳定性有影响。一般来说[12]，气流的吹入促使区 域流体不稳定，而气流的吸出增加区域气体流动的 稳定性。所以所设计的结构，一方面，能够增加气 体在切割区域的流动压力，使气体流动稳定在某一 稳定状态，避免局部气压增高，发生气流密度场的 变化而导致激光切割区域功率的变化；另一方面可 根据有关气流模拟， 合理选择激光功率和切割速度， 尽可能实现加工过程的稳定，减少猝发现象，以获 得切割面平整、光滑、无裂纹，切割下表面无熔渣 附着的成品。 试验采用氧助激光切割，在同轴辅助切割气体 之外，在工件底部加设旋风除渣器，形成旋转气流 的除渣法。其工作原理如下在氧助激光切割过程 中，氧化反应释放出大量热量，熔融态泡沫性低密 度反应生成物在反应热源及激光热源的共同作用 下，可保持较长的时间，此时通过设置在工件底部 的旋风除渣器，形成强烈的旋转气流，利用由此产 生的巨大离心力，对物料起到强烈的冲刷作用，消 除粘渣现象。此时既可阻碍等离子体的产生，又可 减少工件上方气流压力，避免密度气流场的变化， 最终将泡沫性残渣快速、干净地清除而获得良好的 切割质量。图 1 所示为旋风除渣器工作原理图。 图 1 旋风除渣器工作原理图 在上部同轴喷嘴氧气流将泡沫性的残渣吹向底 部的过程中，由于旋风除渣器的吸口紧贴在工件底 部，生成的残渣在强大的旋转气流作用下无法粘附 在切缝周边。同时由于泡沫性残渣中含有氧气等气 体，其受气流影响更为显著，这对于残渣的清除更 为有利。 2.2 试验结果与讨论 图 2 所示为旋风除渣器的结构示意图，包括一 置于常规激光切割设备的激光喷嘴 3 下方的旋转气 流引导装置 6，此装置包括一顶部设有一除渣吸口 的中空锥体 5，并通过夹持器 1 与激光喷嘴的运动 机架 4 连接，以保持激光喷嘴 3 与中空锥体 5 的除 渣吸口同轴设置，并在切割过程保持同步运动，并 紧贴待切割的钢薄板 2 底部。中空锥体 5 下部连接 两通排灰管 7，此排灰管的另一端连接旋转气流制 造器 （步进电机带动一高速旋转风机， 图中未示出） 。 将待切割的钢薄板 2 置于激光喷嘴 3 和旋转气 流引导装置 6 之间，当工件底部熔渣吸口气流以 删除的内容删除的内容 采用高压高纯 N2作为辅助切割气体，在切 割过程中达到了阻隔O2的作 用，无法生成 SiO2及铁硅氧 化物，只有母材铁的熔融状 态在流动，其粘性系数低， 高压气体极易将熔融态残渣 吹走，因此获得了精细切口。 但是高压下高纯度N2消耗量 极大，并且无法氧助激光切 删除的内容删除的内容 这两种流动形 态的流速分布、切应力大小 与分布、能量损失及扩散性 删除的内容删除的内容 8 删除的内容删除的内容 9 删除的内容删除的内容 7 删除的内容删除的内容 2 删除的内容删除的内容 切缝中的熔化 金属及碎屑排出困难，同时 紊流产生有利于等离子体的 删除的内容删除的内容 通常用雷诺数 来判断层流和湍流，雷诺数 反映了惯性力和粘性力的相 删除的内容删除的内容 删除的内容删除的内容 2 删除的内容删除的内容 如图 1 所示。 删除的内容删除的内容 D 为 删除的内容删除的内容 ， 删除的内容删除的内容 其 D0.209～ 0.860mm。代入公式（1） ... [2] ... [4] ... [1] ... [3] 12～25m/s 的速度由进气管进入旋转气流引导装置 6 时，气流将由直线运动变为圆周运动。旋转气流 的绝大部分沿器壁直圆筒体呈螺旋形向下，朝中空 锥体 5 流动，通常称此为外旋气流。含渣气流在旋 转过程中产生离心力，将密度大于气体的渣粒甩向 器壁。渣粒一旦与器壁接触，便失去惯性力而靠入 口速度的动量和向下的重力沿壁面下落，进入排灰 管 7。旋转下降的外旋气流在到达锥体时，因圆锥 形的收缩而向除尘器中心靠拢，其切向速度不断提 高。当气流到达中空锥体 5 下端某一位置时，即以 同样的旋转方向从中空锥体 5 中部，由下而上继续 做螺旋形流动，即内旋气流。最后净化气经排气管 排出器外，一部分未被捕集的渣粒也由此逃失。自 进气管流入的另一小部分气体，则向中空锥体 5 顶 盖流动，然后沿排气管外侧向下流动，当到达排气 管下端时，即反转向上随上升的中心气流一同从排 气管排出，分散在这一部分上旋气流中的渣粒也随 同被带走，因此在除渣器上口也不存在挂渣粘附的 问题。 （a） （b） 图 2 旋风除渣器结构示意图 采用旋风除渣器， 激光切割机受 CNC 工作台的 控制，激光喷嘴与旋风除渣器的吸口在工作过程中 实现了同轴、同步，激光切割与残渣的吸附不受激 光切割路径的影响，从而此技术具有通用性。 试验证明，在此装置作用下，氧化反应生成的 熔融态氧化物杂质可最大限度的被吹除。试验中同 轴辅助切割气体为氧气，气体压力降低为 3 100kPa，熔渣喷嘴气体采用压缩空气，压力为 1 100kPa。当激光功率为 500W，模式为 TEM01，焦 点位于工件上表面，切割速度为 3m/min。图 3 为工 作中的装有旋风除渣器的切割装置照片。 图 3 工作中的装有旋风除渣器的切割装置照片 切口区域范围在工件上部没有变化，底部为旋 风除渣器的吸口，此孔直径与同轴喷嘴一致，其气 流作用区域范围没有发生变化，但是气流速度发生 了明显的变化，当气流以 12～25m/s 的速度由进气 管进入旋风除渣器，切口区域雷诺数范围为 706～ 1471，气流在切口区域处于层流状态。所以通过加 设旋风除渣器明显的改善了气流状态，改进了切割 质量。图 4 为采用常规激光切割工艺获得的切口， 图 5 为采用旋风除渣器后获得的切口， 其表面光滑， 质量较高。 图 4 采用常规激光切割工艺获得的切口 删除的内容删除的内容 代入（1）公式 得到的 图 5 采用旋风除渣器后获得的切口 3 旋转气流激光切割数值模拟分析 为深入研究旋风转气流的工作过程，首先需要 对旋转气流内单相流体的湍流流动情况作细致分 析。为便于问题的解决，在建立单相流体数学模型 之前，对实际使用的旋转气流作了一些简化[11]。 1. 单相流体为不可压缩空气，即密度为常数； 2. 不考虑由于流体与壁面的摩擦而产生的热效 应； 3. 入口气体的流速均匀，流动处于湍流状态； 4. 假设流场恒温，不考虑能量传递； 5. 假设残渣以极小的颗粒存在，旋转气流入口的 气体流速均匀，颗粒进口速度等于气体相的流 速，且均匀分布于入口，对气流的流动不会造 成影响相当于气流运动。 在圆柱坐标系下，稳态的气体湍流流动控制方 程组可以表示为如下通用形式 11 ur vw xrr δδ ρ φρ φρ φ δδθ 11 xr rs xrrrrr θ φ δδφδδφδδφ δθδδδδθδθ Γ ΓΓ 式中， ρ气体密度 φ求解变量 r管半径 u、v、w分别为轴向、径向和切向气体流 动速度 x Γ、 r Γ、 θ Γ分别为轴向、径向和切向扩散系 数 sφ源项 各变量具体的表达式、模拟旋转气流的雷诺应 力模型的模型系数和常数的取值参考文献[13]。 根据模拟对象的结构特点和模拟目的，为了看 清其除渣的过程，故而在网格划分采用均匀划分。 对于气体相控制方程的离散问题，采用控制容积积 分法。 边界条件的处理方式对方程组的求解非常重 要，对旋转气流控制其设定的边界条件如下 （1） 进口条件设定气体的进口速度为常量，均 匀流动；湍动能k按进口平均动能的 1计 算； 湍动能耗散率ε按湍动能生成量等于耗 散量确定。 （2） 出口条件 出口边界参数的确定方式采用局 部单向化假设；由质量守但条件，出口速度 根据内点速度外推求得。 （3） 壁面条件满足无滑移条件。 在实际的试验和模拟中，采用 D100mm、长 度 为 250mm 的 模 型 ， 空 气 的 进 口 密 度 为 1.225kg/m3，进口气流流速 20.0m/s，恒定温度为 298K，动力粘度μ1.7894e-05kg/m.s。模拟用三维 形状和尺寸可参见图 6。考虑到模拟的方便和加载 速度，在本次模拟中对其模型进行了一些简化。 （a） 模拟用三维形状 （b） 模拟用尺寸 图 6 模拟用三维形状图和尺寸图 为了验证仿真的正确性，选用了两个旋转气流 三维模拟图 7 和图 8 来进行说明。 图 7 旋转气流三维模拟图一 图 8 旋转气流三维模拟图二 删除的内容删除的内容 删除的内容删除的内容 列于表 2， 删除的内容删除的内容 高速气流从同轴气流出来后， 进入控制管顶部， 从上面起开始加速运动， 其速度是入孔速度的 1.5～ 2.0 倍。 气流进入旋风控制管的筒体之后， 沿筒壁周 向运动，速度有所降低。在进入主流之前，旋转气 流与后续进入的气流存在一个碰撞、汇合的过程， 两股气流的碰撞不可避免地在内筒的贴壁区域造成 局部涡流，气流速度明显降低，在上部会形成乱流 （s 点） ，扰乱了局部的流场。在上端由于这种存在 一个气流碰撞、汇合的过程，在上入口段速度就有 些分布不均匀。 从旋转气流的形状可以看出切向速度占主导地 位，并由内向外递增。含在气流中的颗粒在切向气 流的带动下做高速旋转运动，并因离心力的作用， 被甩向外壁， 在壁面和旋转轴心切向速度几乎为零。 因此， 合理设计各管道参数， 调整旋转气流流速等， 可以针对激光切割过程中不同的熔渣生成情况有效 除渣。 4 旋转气流激光切割问题与讨论 激光切割时只需要定位而不需要夹紧划线等准 备工序，因而硅钢片无机械应力；激光切割工艺不 会造成硅钢片表面上绝缘损伤，边缘挤压，不会影 响铁心质量；同时专业测试结果表明[14]采用激光 切割工艺与冲压工艺，硅钢片磁性能不变。因此激 光切割硅钢片工艺较传统制造硅钢片工艺有其特有 的优势。 采用底部侧吹气流控制激光切割硅钢片具有显 著效果。对于不锈钢等特种钢材薄板激光切割，由 于产生熔渣机理类似，因此具有同样效果；对于普 通碳钢板， 当板厚增加时， 挂渣现象变得严重起来， 大量熔化材料必须被喷射出来，因此此工艺方法也 适用于切割厚的普通碳钢。 5 结论 （1） 试验采用氧辅助切割以降低所需激光切割 功率，除同轴辅助切割气体之外，在工件底 部加设旋风除渣器， 形成旋转气流控制熔渣 流向以去除熔渣的激光切割工艺。 （2） 试验证明，合理控制工艺参数，在大幅度降 低切割功率同时， 形成的旋转气流可以有效 的去除熔渣，获得光滑切口。 （3） 利用有限元法对旋风除渣器内部气流状况 进行了数值模拟，验证了旋转气流工作规 律， 为进一步合理控制熔渣流向获得光滑的 精细切口提供了实践和理论依据。 参 考 文 献 [1] 朱起凡，高为国. 硅钢片冷冲模的失效分析[J]. 武汉汽 车工业大学学报，2000，22（2） 22-25. 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TECHNOLOGICAL STUDY OF LASER CUTTING SILICON STEEL CONTROLLED BY ROTATING GAS FLOW HONG Lei 1 MI chenglong 1 CHEN Wuzhu 2 1．Mechanical Engineering Department, Shanghai Maritime University, Shanghai 200135； 2．Mechanical Engineering Department , Tsinghua University, Beijing 100084 AbstractAbstract To against the demerits of currently main laser cutting technology, a novel of laser cutting silicon steel by using a cyclone slag separator put under the workpiece that will rotating gas flow to control the direction of the flowing slag gas is presented. Laser cutting of 0.5 mm silicon steel sheet with CO2 laser is experimentally studied. The experiments prove that glossy and dross-free cutting kerfs can be obtained under lower laser cutting power when the gas flow is laminar flow in the tube controlled by rotating gas flow. The gas flow acting under the workpiece is simulated by Finite Element FEM. The operating law of the rotating gas flow is verified by ANSYS, which provide academic basis for controlling the flowing direction of the slag gas reasonably. This laser cutting technology is practical and feasible. Key words Key words laser cutting aided by oxidation reaction rotating gas flow silicon steel sheet molten slag 作者简介洪蕾，女，1972 年出生，博士，副教授。主要从事激光加工 的研究工作。 E-mailjuhonglei 页 2 [1] 删除的内容 hl 2007-10-1 154400 页 2 [1] 删除的内容 hl 2007-10-1 154400 采用高压高纯 N2作为辅助切割气体，在切割过程中达到了阻隔 O2的作用，无法生成 SiO2及铁硅氧化物，只有母材铁的熔融状态在流动，其粘性系数低，高压气体极易将熔融 态残渣吹走，因此获得了精细切口。但是高压下高纯度 N2消耗量极大，并且无法氧助激光 切割，缺乏其放热所提供的大量热能，导致了激光切割功率的增加和切割效率的降低。 页 2 [2] 删除的内容 hl 2007-10-1 154500 页 2 [2] 删除的内容 hl 2007-10-1 154500 这两种流动形态的流速分布、切应力大小与分布、能量损失及扩散性质均不相同，它们 将严重影响最终切割面形貌的形成[7]。 页 2 [3] 删除的内容 hl 2007-10-1 155400 页 2 [3] 删除的内容 hl 2007-10-1 155400 切缝中的熔化金属及碎屑排出困难，同时紊流产生有利于等离子体的形成[4][5]。等离子 体会吸收激光束的能量，从而被切割工件吸收的能量就要减少，切割效率就会下降；等离子 体的存在会使激光束发生散焦，激光束的模式也会发生变化，从而使切割质量变差。 页 2 [4] 删除的内容 hl 2007-10-1 155600 页 2 [4] 删除的内容 hl 2007-10-1 155600 通常用雷诺数来判断层流和湍流，雷诺数反映了惯性力和粘性力的相对强度[10]。通常 在工程应用中可以认为当雷诺数小于 2000 时，圆管内的流动是层流；当雷诺数大于 4000 时， 圆管的流动是湍流。 当雷诺数介于两者之间时， 则处于由层流向湍流转变的不确定状态。 雷诺数表达式为 μ ρ − vD Re （1） 式中 Re为雷诺数，ρ为气体密度，v为气体的平均速度，D为管径，μ为气体的粘度。