不锈钢/陶瓷复合结构激光切割流场仿真模拟

宋妮妮，林英华，朱卫华，陈志勇，王新林,※

（1.南华大学机械工程学院，湖南衡阳 421001；2.南华大学电气工程学院，湖南衡阳 421001；3.南华大学超快微纳技术与激光先进制造湖南省重点实验室，湖南衡阳 421001）

0 引言

乏燃料是指使用过后的核燃料，由于其含有大量的放射性，故需要对其进行后处理[1-2]。当前，机械剪切是乏燃料元件后处理加工中最为常用的方法。例如在法国大规模采用的剪切机特征为，原料水平进给、整束切割[3]；英国和俄罗斯应用较多的分别为立式和卧式的剪切机[4]。虽然机械剪切的工艺较为成熟，但由于剪切过程中振动较大，使得剪切件出现开口，且剪切刀具存在磨损和不易更换的等问题。

激光作为一种高能量聚光束，主要涉及材料表面处理、切割等工业领域。激光切割技术是一种非接触式的加工方式，可以实现对金属、非金属以及各种难加工材料的快速切割[5-6]。区别于传统的切割方式，激光切割具有去除效率高的特点[7]，且不存在抖动和刀具磨损、更换等问题。

激光切割的切割质量会受到激光束、材料性能、工艺参数、喷嘴结构、以及辅助气体的影响[8]。其中，由喷嘴喷射的辅助气体与工件形成的流场特性是影响切割质量和效率的关键因素之一。因此对于辅助气体流场的研究是必不可少的。Man等[9]研究了超声速和锥形喷嘴模拟激光切缝内切割辅助气体射流的特性。研究了喷嘴间距、切缝宽度、材料厚度和入口压力对切缝内气体流动动力特性和动量推力的影响。张立鑫等[10]为探究激光切割辅助气体流场动力学性能与激光切割工艺参数的关系，构建了平面撞击射流三维对称激光切割模型。Hu等[11]建立了激光切割的三维轴对称模型，研究了喷嘴间距对切割过程中气体射流动态特性的影响规律，揭示了不同距离下气体射流压力和速度的分布规律，并通过实验对数值模拟结果进行了验证。

本文通过ANSYS软件的fluent模块，对UDF功能进行二次开发，构建了深度随气∕液变化的自适应热源模型，分别使用分层和分块建模，并对模型进行了网格划分，模拟了激光切割过程中316Ti不锈钢包壳-UO2陶瓷芯块的辅助气体流场气体动力学变化过程，分析了辅助气体从喷嘴流出后速度、压力的变化。

1 辅助气体流场仿真分析

1.1 几何模型构件及相应网格划分

切割材料为UO2陶瓷芯块复合316Ti不锈钢包壳管，具体尺寸如表1所示。图1所示为激光喷嘴和切割材料的几何模型和相应的网格划分图。辅助气体流场的研究重点是喷嘴到工件表面的空气层，故对该区域进行网格细化，以提高计算精度。

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

图1 激光喷嘴和切割材料的几何模型和相应的网格划分Fig.1 Geometric model and corresponding mesh generation of laser nozzle and cutting material

1.2 热源模型的构建

在高能激光束的作用下，部分切削材料被瞬间蒸发或被气流吹落，从而在垂直路径上形成切削孔。切削热随着切削孔深度的增加不断变化，因此在仿真过程中采用自适应旋转高斯热源，并假设热源作用深度与切削孔深相同。通过ANSYS计算出气∕固界面，并以最低点坐标作为热源深度H（t），则热源方程可表示为：

式中：P为激光功率；H（t）为激光热源深度；Cs=3∕R02；R0为光斑半径，取0.1 mm。

1.3 材料热物性参数

材料的热物性参数对激光切割过程中的参数设置和切割效果有着重要影响。选用JMat Pro模拟软件计算材料性能，得到不锈钢包壳的比热容-温度变化曲线和热导率-温度变化曲线，结果如图2所示。不锈钢包壳的熔点为1 434℃，固相线温度为1 663 K，液相线温度为1 723 K，密度为7 995 kg∕m3。

图2 不锈钢包壳的比热容-温度变化曲线和热导率-温度变化曲线Fig.2 Specific heat capacity temperature curve and thermal conductivity temperature curve of stainless steel cladding

UO2陶瓷芯块的熔点为2 847℃，固相线温度为2 970 K，液相线温度为3 120 K，密度为10 960 kg∕m3。由式（3）和式（4）的温度导数计算出相应的比热容[12]。

1.4 湍流模型

标准k-ε模型是一种双方程模型，是在大量实验基础上总结出的经验公式。表达式如下：

式中：Gk和Gb分别为速度梯度和浮力引起的紊流动能；YM为过渡扩散引起的波动；C1、C2、C3是常量；σk、σz分别为湍流Prandtl数；Sk、Ss为定义常数。

1.5 初始与边界条件

设定环境温度为300 K。基于实际切割过程，边界条件为压力入口、压力出口、自由表面、壁面以及对称面。如图3所示。

图3 模型边界条件Fig 3 Model boundary conditions

（1）压力入口与压力出口

激光切割过程中所用辅助气体可压缩，故采用了压力入口和压力出口。

（2）对称面

选取1∕2模型进行建模，假设在对称面上没有热传递和位移的发生。

（3）自由表面

将被加工表面的交界面看作自由表面。认为其会同时受到辅助气体压力、表面张力的作用。

（4）壁面

对于喷嘴壁面，在辅助气体喷射的过程中，喷嘴内部辅助气体流动较快，热传递带来的影响极小，可忽略不计，故将喷嘴壁面设为绝热壁面。

2 仿真结果及分析

2.1 辅助气体流场仿真的初步分析

2.1.1 辅助气体流场仿真工艺参数设定

在激光切割过程中，辅助气体选用氮气。入口压力为影响气体流场的主要因素。表2所示为激光切割辅助气体流场仿真分析中所使用的工艺参数。

表2 流场仿真分析工艺参数Tab.2 Flow field simulation analysisprocessparameters

2.1.2 激光切割小孔温度场仿真结果分析

由于激光喷嘴、激光束和切割小孔都具有轴对称特征，故在对称面上对切割小孔进行温度场仿真。如图4所示，热源中心温度分布形状非常接近圆锥形热源的形状且能量主要集中在靠近光斑中心区域，热影响区范围小。对称面上温度分布的模拟符合热源模型，同时也保证了辅助气体流场分析结果的有效性。

图4 t=0.25 s对称面上温度分布Fig.4 Temperature distribution on the symmetry plane of themodel at t=0.25 s

2.2 辅助气体流场分布特征

2.2.1 辅助气体流场速度变化

在激光切割过程中，辅助气体的速度是激光切割的辅助气体流场的研究重点。图5（a）所示为t=0.25 s时对称面上辅助气体的速度矢量图。由图可知，辅助气体在接触到切割表面时，大量气体从切割表面的两侧逸出，一部分气体喷射到工件上方，流动方向转为平行于工件表面；另一小部分气体垂直向下吹入小孔用于材料去除和除渣。此外，由图5（b）可知，小孔底部区域的气体流动速度较小，说明辅助气体去除熔融金属的能力较弱，且随着深度增加，除渣能力降低。当辅助气体流动速度过小，无法被去除的熔融金属会重新凝固，导致工件切不透。在实际切割中应调整辅助气体参数，避免出现此类情况。

图5 辅助气体流场速度变化Fig.5 Velocity variation of auxiliary gasflow field

2.2.2 辅助气体流场压力变化

图6（a）为t=0.25 s时模型对称面上辅助气体的压力等高线图。辅助气体从喷嘴喷射出后，在切削表面附近的压力值升高，而压力梯度在切削表面降低，在切削孔内较低。图6（b）所示为压力随轴心距离的分布曲线。随着轴心距离的增加，气体压力先逐渐减小，然后急剧增大再急剧减小。这是由于激光喷嘴内部的气体处于压缩状态，压力值较高，当气体从喷嘴（z=0.425 mm）进入空气后，外界的压力降低，气体开始膨胀，导致气体压力降低。当气流靠近切削表面时，由于运动路径受到阻碍，压力急剧上身，并在切削表面小孔入口处（z=0.325 mm）升至最高。由于只有一小部分气体进入了切削小孔，故当气体进入小孔后，气体降低。

图6 辅助气体流场压力变化Fig.6 Pressure change of auxiliary gas flow field

通过辅助气体流场速度及压力的变化特征可以看出入口压力对辅助气体流场的影响是决定性的。速度与压力对辅助气体流场的影响相辅相成，且影响着切割的质量，因此，在实际切割过程中，应选择合适的入口压力，保证辅助气体的除渣能力，进而保证切割质量。

3 结束语

运用ANSYS中fluent模块对激光切割UO2陶瓷芯块复合316Ti不锈钢包壳管的辅助气体流场进行了模拟仿真，分析了辅助气体流场的分布特征，包括速度、压力的变化和影响，得到以下结论。

（1）基于ANSYS软件fluent模块中的UDF功能进行二次开发，采用深度自适应热源模型，该模型契合激光切割过程中温度的变化分布，热源中心温度形状接近圆锥形热源形状，热影响区范围小，激光热源作用集中，保证了辅助气体流场分析结果的有效性。

（2）对辅助气体流场的分布特点进行研究，分析了辅助气体从喷嘴喷出到进入小孔的这一过程，发现辅助气体从喷嘴喷出到进入小孔内部有除渣作用，其动力学性能会发生明显的变化。对材料的热物性参数（比热容、热导率）、边界条件（压力入口、压力出口、自由表面、壁面、对称面）进行设定，分析了辅助气体从喷嘴流出后速度、压力的变化，发现小孔底部区域的气体流动速度较小，熔融的金属材料无法被去除，可能会导致工件无法完全被切透；辅助气体在喷嘴内外存在较大的压力差，在靠近工件表面时压力增高，入口压力对辅助气体流场的影响是决定性的。在实际切割过程中，应选择合适的入口压力，保证辅助气体的除渣能力，进而保证切割质量。