不銹鋼/陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)激光切割流場仿真模擬

宋妮妮，林英華，朱衛(wèi)華，陳志勇，王新林,※

（1.南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南衡陽 421001；2.南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖南衡陽 421001；3.南華大學(xué)超快微納技術(shù)與激光先進(jìn)制造湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南衡陽 421001）

0 引言

乏燃料是指使用過后的核燃料，由于其含有大量的放射性，故需要對其進(jìn)行后處理[1-2]。當(dāng)前，機(jī)械剪切是乏燃料元件后處理加工中最為常用的方法。例如在法國大規(guī)模采用的剪切機(jī)特征為，原料水平進(jìn)給、整束切割[3]；英國和俄羅斯應(yīng)用較多的分別為立式和臥式的剪切機(jī)[4]。雖然機(jī)械剪切的工藝較為成熟，但由于剪切過程中振動較大，使得剪切件出現(xiàn)開口，且剪切刀具存在磨損和不易更換的等問題。

激光作為一種高能量聚光束，主要涉及材料表面處理、切割等工業(yè)領(lǐng)域。激光切割技術(shù)是一種非接觸式的加工方式，可以實(shí)現(xiàn)對金屬、非金屬以及各種難加工材料的快速切割[5-6]。區(qū)別于傳統(tǒng)的切割方式，激光切割具有去除效率高的特點(diǎn)[7]，且不存在抖動和刀具磨損、更換等問題。

激光切割的切割質(zhì)量會受到激光束、材料性能、工藝參數(shù)、噴嘴結(jié)構(gòu)、以及輔助氣體的影響[8]。其中，由噴嘴噴射的輔助氣體與工件形成的流場特性是影響切割質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素之一。因此對于輔助氣體流場的研究是必不可少的。Man等[9]研究了超聲速和錐形噴嘴模擬激光切縫內(nèi)切割輔助氣體射流的特性。研究了噴嘴間距、切縫寬度、材料厚度和入口壓力對切縫內(nèi)氣體流動動力特性和動量推力的影響。張立鑫等[10]為探究激光切割輔助氣體流場動力學(xué)性能與激光切割工藝參數(shù)的關(guān)系，構(gòu)建了平面撞擊射流三維對稱激光切割模型。Hu等[11]建立了激光切割的三維軸對稱模型，研究了噴嘴間距對切割過程中氣體射流動態(tài)特性的影響規(guī)律，揭示了不同距離下氣體射流壓力和速度的分布規(guī)律，并通過實(shí)驗(yàn)對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

本文通過ANSYS軟件的fluent模塊，對UDF功能進(jìn)行二次開發(fā)，構(gòu)建了深度隨氣∕液變化的自適應(yīng)熱源模型，分別使用分層和分塊建模，并對模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，模擬了激光切割過程中316Ti不銹鋼包殼-UO2陶瓷芯塊的輔助氣體流場氣體動力學(xué)變化過程，分析了輔助氣體從噴嘴流出后速度、壓力的變化。

1 輔助氣體流場仿真分析

1.1 幾何模型構(gòu)件及相應(yīng)網(wǎng)格劃分

切割材料為UO2陶瓷芯塊復(fù)合316Ti不銹鋼包殼管，具體尺寸如表1所示。圖1所示為激光噴嘴和切割材料的幾何模型和相應(yīng)的網(wǎng)格劃分圖。輔助氣體流場的研究重點(diǎn)是噴嘴到工件表面的空氣層，故對該區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以提高計(jì)算精度。

表1 幾何模型尺寸Tab.1 Geometric model dimensions mm

圖1 激光噴嘴和切割材料的幾何模型和相應(yīng)的網(wǎng)格劃分Fig.1 Geometric model and corresponding mesh generation of laser nozzle and cutting material

1.2 熱源模型的構(gòu)建

在高能激光束的作用下，部分切削材料被瞬間蒸發(fā)或被氣流吹落，從而在垂直路徑上形成切削孔。切削熱隨著切削孔深度的增加不斷變化，因此在仿真過程中采用自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)高斯熱源，并假設(shè)熱源作用深度與切削孔深相同。通過ANSYS計(jì)算出氣∕固界面，并以最低點(diǎn)坐標(biāo)作為熱源深度H（t），則熱源方程可表示為：

式中：P為激光功率；H（t）為激光熱源深度；Cs=3∕R02；R0為光斑半徑，取0.1 mm。

1.3 材料熱物性參數(shù)

材料的熱物性參數(shù)對激光切割過程中的參數(shù)設(shè)置和切割效果有著重要影響。選用JMat Pro模擬軟件計(jì)算材料性能，得到不銹鋼包殼的比熱容-溫度變化曲線和熱導(dǎo)率-溫度變化曲線，結(jié)果如圖2所示。不銹鋼包殼的熔點(diǎn)為1 434℃，固相線溫度為1 663 K，液相線溫度為1 723 K，密度為7 995 kg∕m3。

圖2 不銹鋼包殼的比熱容-溫度變化曲線和熱導(dǎo)率-溫度變化曲線Fig.2 Specific heat capacity temperature curve and thermal conductivity temperature curve of stainless steel cladding

UO2陶瓷芯塊的熔點(diǎn)為2 847℃，固相線溫度為2 970 K，液相線溫度為3 120 K，密度為10 960 kg∕m3。由式（3）和式（4）的溫度導(dǎo)數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的比熱容[12]。

1.4 湍流模型

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是一種雙方程模型，是在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式。表達(dá)式如下：

式中：Gk和Gb分別為速度梯度和浮力引起的紊流動能；YM為過渡擴(kuò)散引起的波動；C1、C2、C3是常量；σk、σz分別為湍流Prandtl數(shù)；Sk、Ss為定義常數(shù)。

1.5 初始與邊界條件

設(shè)定環(huán)境溫度為300 K。基于實(shí)際切割過程，邊界條件為壓力入口、壓力出口、自由表面、壁面以及對稱面。如圖3所示。

圖3 模型邊界條件Fig 3 Model boundary conditions

（1）壓力入口與壓力出口

激光切割過程中所用輔助氣體可壓縮，故采用了壓力入口和壓力出口。

（2）對稱面

選取1∕2模型進(jìn)行建模，假設(shè)在對稱面上沒有熱傳遞和位移的發(fā)生。

（3）自由表面

將被加工表面的交界面看作自由表面。認(rèn)為其會同時(shí)受到輔助氣體壓力、表面張力的作用。

（4）壁面

對于噴嘴壁面，在輔助氣體噴射的過程中，噴嘴內(nèi)部輔助氣體流動較快，熱傳遞帶來的影響極小，可忽略不計(jì)，故將噴嘴壁面設(shè)為絕熱壁面。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 輔助氣體流場仿真的初步分析

2.1.1 輔助氣體流場仿真工藝參數(shù)設(shè)定

在激光切割過程中，輔助氣體選用氮?dú)?。入口壓力為影響氣體流場的主要因素。表2所示為激光切割輔助氣體流場仿真分析中所使用的工藝參數(shù)。

表2 流場仿真分析工藝參數(shù)Tab.2 Flow field simulation analysisprocessparameters

2.1.2 激光切割小孔溫度場仿真結(jié)果分析

由于激光噴嘴、激光束和切割小孔都具有軸對稱特征，故在對稱面上對切割小孔進(jìn)行溫度場仿真。如圖4所示，熱源中心溫度分布形狀非常接近圓錐形熱源的形狀且能量主要集中在靠近光斑中心區(qū)域，熱影響區(qū)范圍小。對稱面上溫度分布的模擬符合熱源模型，同時(shí)也保證了輔助氣體流場分析結(jié)果的有效性。

圖4 t=0.25 s對稱面上溫度分布Fig.4 Temperature distribution on the symmetry plane of themodel at t=0.25 s

2.2 輔助氣體流場分布特征

2.2.1 輔助氣體流場速度變化

在激光切割過程中，輔助氣體的速度是激光切割的輔助氣體流場的研究重點(diǎn)。圖5（a）所示為t=0.25 s時(shí)對稱面上輔助氣體的速度矢量圖。由圖可知，輔助氣體在接觸到切割表面時(shí)，大量氣體從切割表面的兩側(cè)逸出，一部分氣體噴射到工件上方，流動方向轉(zhuǎn)為平行于工件表面；另一小部分氣體垂直向下吹入小孔用于材料去除和除渣。此外，由圖5（b）可知，小孔底部區(qū)域的氣體流動速度較小，說明輔助氣體去除熔融金屬的能力較弱，且隨著深度增加，除渣能力降低。當(dāng)輔助氣體流動速度過小，無法被去除的熔融金屬會重新凝固，導(dǎo)致工件切不透。在實(shí)際切割中應(yīng)調(diào)整輔助氣體參數(shù)，避免出現(xiàn)此類情況。

圖5 輔助氣體流場速度變化Fig.5 Velocity variation of auxiliary gasflow field

2.2.2 輔助氣體流場壓力變化

圖6（a）為t=0.25 s時(shí)模型對稱面上輔助氣體的壓力等高線圖。輔助氣體從噴嘴噴射出后，在切削表面附近的壓力值升高，而壓力梯度在切削表面降低，在切削孔內(nèi)較低。圖6（b）所示為壓力隨軸心距離的分布曲線。隨著軸心距離的增加，氣體壓力先逐漸減小，然后急劇增大再急劇減小。這是由于激光噴嘴內(nèi)部的氣體處于壓縮狀態(tài)，壓力值較高，當(dāng)氣體從噴嘴（z=0.425 mm）進(jìn)入空氣后，外界的壓力降低，氣體開始膨脹，導(dǎo)致氣體壓力降低。當(dāng)氣流靠近切削表面時(shí)，由于運(yùn)動路徑受到阻礙，壓力急劇上身，并在切削表面小孔入口處（z=0.325 mm）升至最高。由于只有一小部分氣體進(jìn)入了切削小孔，故當(dāng)氣體進(jìn)入小孔后，氣體降低。

圖6 輔助氣體流場壓力變化Fig.6 Pressure change of auxiliary gas flow field

通過輔助氣體流場速度及壓力的變化特征可以看出入口壓力對輔助氣體流場的影響是決定性的。速度與壓力對輔助氣體流場的影響相輔相成，且影響著切割的質(zhì)量，因此，在實(shí)際切割過程中，應(yīng)選擇合適的入口壓力，保證輔助氣體的除渣能力，進(jìn)而保證切割質(zhì)量。

3 結(jié)束語

運(yùn)用ANSYS中fluent模塊對激光切割UO2陶瓷芯塊復(fù)合316Ti不銹鋼包殼管的輔助氣體流場進(jìn)行了模擬仿真，分析了輔助氣體流場的分布特征，包括速度、壓力的變化和影響，得到以下結(jié)論。

（1）基于ANSYS軟件fluent模塊中的UDF功能進(jìn)行二次開發(fā)，采用深度自適應(yīng)熱源模型，該模型契合激光切割過程中溫度的變化分布，熱源中心溫度形狀接近圓錐形熱源形狀，熱影響區(qū)范圍小，激光熱源作用集中，保證了輔助氣體流場分析結(jié)果的有效性。

（2）對輔助氣體流場的分布特點(diǎn)進(jìn)行研究，分析了輔助氣體從噴嘴噴出到進(jìn)入小孔的這一過程，發(fā)現(xiàn)輔助氣體從噴嘴噴出到進(jìn)入小孔內(nèi)部有除渣作用，其動力學(xué)性能會發(fā)生明顯的變化。對材料的熱物性參數(shù)（比熱容、熱導(dǎo)率）、邊界條件（壓力入口、壓力出口、自由表面、壁面、對稱面）進(jìn)行設(shè)定，分析了輔助氣體從噴嘴流出后速度、壓力的變化，發(fā)現(xiàn)小孔底部區(qū)域的氣體流動速度較小，熔融的金屬材料無法被去除，可能會導(dǎo)致工件無法完全被切透；輔助氣體在噴嘴內(nèi)外存在較大的壓力差，在靠近工件表面時(shí)壓力增高，入口壓力對輔助氣體流場的影響是決定性的。在實(shí)際切割過程中，應(yīng)選擇合適的入口壓力，保證輔助氣體的除渣能力，進(jìn)而保證切割質(zhì)量。