激光切割喷嘴设计及气流控制技术

来源:激光切割 作者:激光切割厂家  行业动态     |      2019-06-03 14:17
  激光切开钢材时,氧气和聚焦的激光束是经过喷嘴射到被切资料处,从而构成一个气流束。对气流的基本要求是进入切断的气流量要大,速度要高,以便足够的氧化使切断资料充分进行放热反应;同时又有足够的动量将熔融资料喷射吹出。因而除光束的质量及其操控直接影响切开质量外,喷嘴的规划及气流的操控(如喷嘴压力、工件在气流中的位置等)也是十分重要的要素。现在激光切开用的喷嘴选用简单的结构,即一锥形孔带端部小圆孔(如图4)。通常用实验和差错方法进行规划。因为喷嘴一般用
  紫铜制作,体积较小,是易损零件,需常常更换,因而不进行流体力学核算与分析。在运用时从喷嘴侧面通入必定压力Pn(表压为Pg)的气体,称喷嘴压力,从喷嘴出口喷出,经必定距离到达工件外表,其压力称切开压力Pc,最终气体膨胀到大气压力Pa。研究工作表明随着Pn的添加,气流流速添加,Pc也不断添加。
激光切割喷嘴设计及气流控制技术
  可用下列公式核算:V=8.2d2(Pg+1)
  V-气体流速 L/min
  d-喷嘴直径 mm
  Pg-喷嘴压力(表压)bar
  对于不同的气体有不同的压力阈值,当喷嘴压力超越此值时,气流为正常斜激波,气流速从亚音速向超音速过渡。此阈值与Pn、Pa比值及气体分子的自由度(n)两要素有关:如氧气、空气的n=5,因而其阈值Pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar。当喷嘴压力更高Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2时(Pn;4bar),气流正常斜激波封变为正激波,切开压力Pc下降,气流速度减低,并在工件外表构成涡流,削弱了气流去除熔融资料的效果,影响了切开速度。因而选用锥孔带端部小圆孔的喷嘴,其氧气的喷嘴压力常在3bar以下。
  为进一步进步激光切开速度,可根据空气动力学原理,在进步喷嘴压力的前提下不发生正激波,规划制作一种缩放型喷嘴,即拉伐尔(Laval)喷嘴。为方便制作可选用如图4的结构。德国汉诺威大学激光中心运用500WCO2激光器,透镜焦距2.5〃,选用小孔喷嘴和拉伐尔喷嘴分别作了实验,见图4。实验成果如图5所示:分别表示NO2、NO4、NO5喷嘴在不同的氧气压力下,切断外表粗糙度Rz与切开速度Vc的函数关系。从图中能够看出NO2小孔喷嘴在Pn为400Kpa(或4bar)时切开速度只能到达2.75m/min(碳钢板厚为2mm)。NO4、NO5二种拉伐尔喷嘴在Pn为500Kpa到600Kpa时切开速度可到达3.5m/min和5.5m/min。应指出的是切开压力Pc还是工件与喷嘴距离的函数。因为斜激波在气流的边界多次反射,使切开压力呈周期性的改变。
  第一高切开压力区紧邻喷嘴出口,工件外表至喷嘴出口的距离约为0.5~1.5mm,切开压力Pc大而稳定,是现在工业生产中切开手扳常用的工艺参数。第二高切开压力区约为喷嘴出口的3~3.5mm,切开压力Pc也较大,相同能够取得好的效果,并有利于维护透镜,进步其运用寿命。曲线上的其他高切开压力区因为距喷嘴出口太远,与聚焦光束难以匹配而无法选用。