论文部分内容阅读
水导激光加工技术是一项采用水束光纤来引导激光到基材加工表面的新型精密加工技术,由于其具有切槽平行、宽径比大、热影响区小、无微裂纹、重铸层较少等优点而受到国内外广泛的关注。目前,国外由瑞士Synova公司为代表的水导激光技术实现了产业化及多方面应用的状态,但其装备价格昂贵;国内的水导激光技术尚处于实验室研制初步阶段。本文在目前国内外相关研究的基础上,对水导激光的水束稳定生成关键技术进行理论、仿真模拟探究,根据水束光纤稳定相关技术的仿真计算分析作为指导,研制出一套能生成高速稳定水导光纤、成本合理的方案,进行初步实验与分析。首先分析微水束导引激光的工作基理。在此基础上,对激光光线完全束缚于水束的临界角理论、光线在介质中传导能量耗散理论及适用于水导激光的缩流型水光纤理论分别进行分析。为水束导引激光系统的水束稳定研究进行理论准备。为了获得喷嘴内部高度稳定水束的目的,采用流体计算软件CFD分析了不同毛细管长度轴对称喷嘴内的瞬态层流两相流动问题建立其流体动力学方程,分析环境因素(空气扰动、温度)、水束参数(水压、水束射流速度)、喷嘴结构(收敛角、长度、喷嘴直径)等对水束稳定性的影响规律。模拟结果显示喷嘴边缘锐化呈直角状,入口雷诺数Re(28)18100,取毛细段长径比值小于0.8,且锥形段角度为15o,大于锥角段再附壁角度10o的条件下,喷嘴内部稳定水束生成,据此参数研制出喷嘴实物。激光束进入薄水层汇集于喷嘴入口端,薄水层流体分布的状态直接影响着光线耦合于水束的效果。利用FLUENT软件进行单入口和双入口耦合腔的稳定流场流体动力学仿真,在理论上模拟生成稳定水束所需的条件。不同入口压力的腔室内流场结构分布和薄水层直径以及厚度为模拟计算的主要对象。模拟所得结果为不同压力下的水室结构设计提供参量指导,完成腔体实物的研制。最后针对供液压力持续稳定问题进行探究。高压条件下的供液系统因为增压泵的不同,出口管路中会存在不同程度的流量脉冲和压力冲击。本文通过分析叶片式,柱塞式和液压往复式泵的运作特点,设计出0-10MPa、0-50MPa和50MPa以上的三种压力运作的供液系统,采用柱塞泵为动力源的供液系统进行低压条件下的初步实验,在压力0.2-0.3MPa,2MPa,4MPa条件下能实现稳定水束的生成。