基于新型超音速喷嘴的优化气助光纤激光切割技术显著提升不锈钢加工质量

本研究针对压缩空气辅助光纤激光切割AISI 304不锈钢时存在的射流不稳定、熔渣过多和表面质量差等问题，通过方法特性法(MOC)设计了新型最小长度喷嘴(MLZ)。CFD模拟和实验验证表明，MLZ在4.87 bar设计压力下实现了±0.2的马赫数波动，有效射流长度延长1.6倍，使切缝宽度减少19.95%，锥度角降低69.23%，最大熔渣高度降低54.61%，表面粗糙度(Sa)改善32.67%，热影响区(HAZ)宽度减少10.24%，为精密制造提供了经济高效的技术解决方案。

　　

在现代制造业中，激光切割技术凭借其高精度、高灵活性和自动化能力，已成为航空航天、汽车制造和生物医学等领域不可或缺的加工工艺。特别是在不锈钢材料的加工中，AISI 304不锈钢因其良好的强度、耐腐蚀性和成本效益而得到广泛应用。然而，传统的激光切割过程仍然面临着一个关键挑战：辅助气体的选择和使用效率问题。

虽然氮气作为辅助气体能够有效抑制氧化反应，减少熔渣附着并产生光滑的切割表面，但其高昂的成本和消耗量限制了经济可行性。相比之下，压缩空气成本低廉且易于获取，但空气中约21%的氧气含量会导致局部放热反应，产生氧化物、增加表面粗糙度、熔渣积聚和更宽的热影响区(HAZ)，这些缺陷往往需要后续精加工处理，反而抵消了压缩空气的成本优势。

另一个关键问题是喷嘴设计的局限性。传统的锥形喷嘴容易产生欠膨胀射流和马赫激波盘，导致速度损失、边界层分离和熔融材料去除不良。尽管已经开发了多种策略来解决这些限制，包括离轴和辅助气体注入喷嘴、超声波设计以及水射流耦合激光头等，但这些方法往往存在对中敏感、系统复杂性高和材料适用性有限等问题。

针对这些技术难题，来自埃及Kafrelsheikh大学机械工程学院的研究团队开展了一项创新性研究，他们设计、模拟并实验验证了一种新型超音速喷嘴，旨在提升空气辅助光纤激光切割AISI 304不锈钢的质量。该研究成果发表在《Results in Engineering》期刊上，为精密制造领域提供了技术可靠且经济可行的解决方案。

研究人员采用了几项关键技术方法开展本研究：首先使用Method of Characteristics (MOC，方法特性法)进行喷嘴的数学建模和几何轮廓设计；通过Computational Fluid Dynamics (CFD，计算流体动力学)模拟分析喷嘴内部的流场特性；采用Schlieren成像技术进行射流可视化验证；使用CNC数控机床精密加工铜制喷嘴；并在3.3 kW光纤激光切割系统上进行实验验证，使用2 mm厚AISI 304不锈钢板作为实验材料。

2. Design and manufacturing of supersonic nozzle

研究人员基于压缩流体动力学原理，采用Method of Characteristics (MOC)方法设计了最小长度喷嘴(MLZ)。通过一维可压缩流动模型确定了喷嘴的面积比和压力比，使用MATLAB?软件构建了包含200条特征线的发散区域几何形状，最终设计出总长为15 mm的喷嘴，其中会聚段长11.86 mm，发散段长3.14 mm。喷嘴喉部直径设置为2 mm，出口直径2.3 mm，面积比为1.323，设计马赫数为1.684，对应压力比为4.82。

2.2. Numerical model

通过ANSYS Fluent软件进行计算流体动力学(CFD)模拟，采用可压缩RANS方程和标准k-ε湍流模型。建立了二维轴对称几何模型，包含158,458个网格元素，网格尺寸收敛至0.05 mm，确保了模拟结果的准确性。模拟分析了三种流态：欠膨胀(3 bar)、设计条件(4.87 bar)和过膨胀(5.5 bar)。

3. Experimental Work

喷嘴材料选择方面，研究人员使用CES EduPack材料选择系统，基于热导率(λ)和热膨胀系数(α)的比值评估了多种材料，最终选择了铜合金作为制造材料，因其具有良好的热导率(160-390 W/m·K)、可接受的热膨胀系数(16.9-18×10^-6/°C)、耐腐蚀性和易加工性。使用3轴CNC铣床(Vcenter-102 FANUC)和1 mm球头立铣刀进行加工，主轴转速5,000 rpm，进给速率0.1 mm/s。

3.2. Schlieren setup for flow visualization

采用透镜型Schlieren成像系统进行流场可视化，系统由两个75 mm直径凹透镜、白色LED点光源、刀口和高分辨率数码相机组成。该技术通过捕获由密度和压力变化引起的折射率梯度，定性分析激波形成、射流膨胀和流动均匀性。

3.3. Cutting trials and experimental setup

实验使用OR_p4020 T3光纤激光系统，配备3.3 kW Raycus光源，对700×100×2 mm的AISI 304不锈钢板进行切割。采用全因子实验设计，考察两个因素：喷嘴类型(常规喷嘴CN和最小长度喷嘴MLZ)和辅助气体压力(3、4.87和5.5 bar)，共产生6种切割条件。固定参数包括：切割速度3,300 mm/min，激光功率1,650 W(3.3 kW的50%)，stand-off距离0.5 mm，焦点位置-1.5 mm。

4. Results and discussion

4.1. Nozzle performance

数值模拟结果显示，在设计条件(4.87 bar)下，MLZ产生了相干、对称且无激波的射流结构，马赫数沿喷嘴中心线保持稳定，有效长度显著大于欠膨胀或过膨胀状态。Schlieren实验验证了数值模拟结果，在4.87 bar设计条件下，MLZ表现出连续且完全发展的射流，具有明确定义的剪切边界和延长的L_eff(有效长度)，估计为16.6 mm，比常规喷嘴增加了60%。

4.2. Cutting quality assessment

切割质量评估结果显示，MLZ在所有切割指标上均优于常规喷嘴(CN)。在设计压力4.87 bar下，MLZ使切缝宽度从284.97 μm减少到228.12 μm(减少19.95%)；锥度角从2.49°降低到0.77°(减少69.23%)；最大熔渣高度从102.46 μm降低到46.49 μm(减少54.61%)；表面粗糙度(Sa)从10.63 μm改善到7.16 μm(改善32.67%)；热影响区(HAZ)宽度从155.2 μm减小到139.3 μm(减少10.24%)。

研究表明，新型最小长度喷嘴(MLZ)通过Method of Characteristics (MOC)设计，成功实现了准等熵、无激波的超音速射流，显著改善了空气辅助光纤激光切割不锈钢的质量。MLZ产生的稳定、高速、低湍流射流能够有效定位热输入并高效去除熔融材料，从而获得更窄的切缝、更小的锥度角、更少的熔渣、更好的表面质量和更小的热影响区。

这项研究的重要意义在于它成功解决了压缩空气辅助激光切割中的关键技术难题，提供了一种既能保持高质量切割又能显著降低成本的解决方案。相比于传统的氮气辅助切割，使用压缩空气可以大幅降低操作成本并减少与工业气体使用相关的碳足迹。这对于大规模制造业特别重要，因为在这些领域，可持续性和成本效益日益关键。

该技术不仅在航空航天、微制造和汽车工业等精密制造领域具有广泛应用前景，而且为绿色制造和可持续发展提供了技术支持。通过优化喷嘴设计和气流动力学，研究人员成功地将压缩空气的经济性与激光切割的高质量要求结合起来，打破了传统上需要在成本和质量之间做出权衡的局面。

尽管取得了这些令人鼓舞的成果，研究团队也指出了进一步研究的方向，包括评估MLZ的生命周期和可持续性指标、研究在更厚材料和难加工合金(如AISI 316和钛合金)上的可扩展性、探索与多轴系统的集成，以及分析空气供应波动对喷嘴寿命的影响。解决这些方面将进一步加强其工业适用性，使其成为传统设计的可持续和成本效益高的替代方案。