激光切割關(guān)鍵技術(shù)二

    噴嘴設(shè)計(jì)及控制技術(shù)

    激光切割鋼材時(shí)，氧氣和聚焦的激光束是經(jīng)過噴嘴射到被切資料處，從而構(gòu)成一個(gè)氣流束。對(duì)氣流的根本請(qǐng)求是進(jìn)入切口的氣流量要大，速度要高，以便足夠的氧化使切口資料充沛停止放熱反響；同時(shí)又有足夠的動(dòng)量將熔融資料放射吹出。因而除光束的質(zhì)量及其控制直接影響切割質(zhì)量外，噴嘴的設(shè)計(jì)及氣流的控制（如噴嘴壓力、工件在氣流中的位置等）也是非常重要的要素。往常激光切割用的噴嘴采用簡(jiǎn)單的構(gòu)造，即一錐形孔帶端部小圓孔。通常用實(shí)驗(yàn)和誤差辦法停止設(shè)計(jì)。由于噴嘴普通用紫銅制造，體積較小，是易損零件，需經(jīng)常改換，因而不停止流膂力學(xué)計(jì)算與剖析。在運(yùn)用時(shí)從噴嘴側(cè)面通入一定壓力Pn（表壓為Pg）的氣體，稱噴嘴壓力，從噴嘴出口噴出，經(jīng)一定間隔抵達(dá)工件外表，其壓力稱切割壓力Pc,最后氣體收縮到大氣壓力Pa。研討工作標(biāo)明隨著Pn的增加，氣流流速增加，Pc也不時(shí)增加。

    可用下列公式計(jì)算：V=8.2d2(Pg+1）

    V-氣體流速L/min

    d-噴嘴直徑mm

    Pg-噴嘴壓力（表壓）bar

    關(guān)于不同的氣體有不同的壓力閾值，當(dāng)噴嘴壓力超越此值時(shí)，氣流為正常斜激波，氣流速?gòu)膩喴羲傧虺羲龠^渡。此閾值與Pn、Pa比值及氣體分子的自在度（n）兩要素有關(guān)：如氧氣、空氣的n=5，因而其閾值Pn=1bar×（1.2）3.5=1.89bar。當(dāng)噴嘴壓力更高Pn/Pa=（1+1/n)1+n/2時(shí)（Pn；4bar），氣流正常斜激波封變?yōu)檎げǎ懈顗毫c降落，氣流速度減低，并在工件外表構(gòu)成渦流，削弱了氣流去除熔融資料的作用，影響了切割速度。因而采用錐孔帶端部小圓孔的噴嘴，其氧氣的噴嘴壓力常在3bar以下。

    為進(jìn)一步進(jìn)步激光切割速度，可依據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，在進(jìn)步噴嘴壓力的前提下不產(chǎn)生正激波，設(shè)計(jì)制造一種縮放型噴嘴，即拉伐爾（Laval）噴嘴。為便當(dāng)制造可采用如圖4的構(gòu)造。德國(guó)漢諾威大學(xué)激光中心運(yùn)用500WCO2激光器，透鏡焦距2.5〃，采用小孔噴嘴和拉伐爾噴嘴分別作了實(shí)驗(yàn)，見圖4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示：分別表示NO2、NO4、NO5噴嘴在不同的氧氣壓力下，切口外表粗糙度Rz與切割速度Vc的函數(shù)關(guān)系。從圖中能夠看出NO2小孔噴嘴在Pn為400Kpa（或4bar）時(shí)切割速度只能到達(dá)2.75m/min（碳鋼板厚為2mm）。NO4、NO5二種拉伐爾噴嘴在Pn為500Kpa到600Kpa時(shí)切割速度可到達(dá)3.5m/min和5.5m/min。應(yīng)指出的是切割壓力Pc還是工件與噴嘴間隔的函數(shù)。由于斜激波在氣流的邊境屢次反射，使切割壓力呈周期性的變化。