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丹东激光切割中的喷嘴设计及控制技术

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丹东激光切割中的喷嘴设计及控制技术

发布日期:2016-07-08 13:07 来源:http://boltru.com 点击:

丹东激光切割中的喷嘴设计及控制技术

激光切割钢材时,氧气和聚焦的激光束是通过喷嘴射到被切材料处,从而形成一个气流束。对气流的基本要求是进入切口的气流量要大,速度要高,以便足够的氧化使切口材料充分进行放热反应;同时又有足够的动量将熔融材料喷射吹出。因此除光束的质量及其控制直接影响切割质量外,喷嘴的设计及气流的控制(如喷嘴压力、工件在气流中的位置等)也是十分重要的因素。如今激光切割用的喷嘴采用简单的结构,即一锥形孔带端部小圆孔。通常用实验和误差方法进行设计。由于喷嘴一般用紫铜制造,体积较小,是易损零件,需经常更换,因此不进行流体力学计算与分析。在使用时从喷嘴侧面通入一定压力Pn(表压为Pg)的气体,称喷嘴压力,从喷嘴出口喷出,经一定距离到达工件表面,其压力称切割压力Pc,最后气体膨胀到大气压力Pa。研究工作表明随着Pn的增加,气流流速增加,Pc也不断增加。

可用下列公式计算: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

在工业生产中确定焦点位置的简便方法有三种:

1)打印法:使切割头从上往下运动,在塑料板上进行激光束打印,打印直径最小处为焦点。

2)斜板法:用和垂直轴成一角度斜放的塑料板使其水平拉动,寻找激光束的最小处为焦点。

3)蓝色火花法:去掉喷嘴,吹空气,将脉冲激光打在不锈钢板上,使切割头从上往下运动,直至蓝色火花最大处为焦点。

对于不同的气体有不同的压力阈值,当喷嘴压力超过此值时,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PnPa比值及气体分子的自由度(n)两因素有关:如氧气、空气的n=5,因此其阈值Pn=1bar×(1.23.5=1.89bar。当喷嘴压力更高Pn/Pa=1+1/n)1+n/2时(Pn4bar),气流正常斜激波封变为正激波,切割压力Pc下降,气流速度减低,并在工件表面形成涡流,削弱了气流去除熔融材料的作用,影响了切割速度。因此采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。

为进一步提高激光切割速度,可根据空气动力学原理,在提高喷嘴压力的前提下不产生正激波,设计制造一种缩放型喷嘴,即拉伐尔(Laval)喷嘴。为方便制造可采用如图4的结构。德国汉诺威大学激光中心使用500WCO2激光器,透镜焦距2.5〃,采用小孔喷嘴和拉伐尔喷嘴分别作了试验,见图4。试验结果如图5所示:分别表示NO2NO4NO5喷嘴在不同的氧气压力下,切口表面粗糙度Rz与切割速度Vc的函数关系。从图中可以看出NO2小孔喷嘴在Pn400Kpa(或4bar)时切割速度只能达到2.75m/min(碳钢板厚为2mm)。NO4NO5二种拉伐尔喷嘴在Pn500Kpa600Kpa时切割速度可达到3.5m/min5.5m/min。应指出的是切割压力Pc还是工件与喷嘴距离的函数。由于斜激波在气流的边界多次反射,使切割压力呈周期性的变化。

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