激光切割关键技术二

    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经过喷嘴射到被切资料处，从而构成一个气流束。对气流的根本请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资料充沛停止放热反响；同时又有足够的动量将熔融资料放射吹出。因而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）也是非常重要的要素。往常激光切割用的喷嘴采用简单的构造，即一锥形孔带端部小圆孔。通常用实验和误差办法停止设计。由于喷嘴普通用紫铜制造，体积较小，是易损零件，需经常改换，因而不停止流膂力学计算与剖析。在运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，经一定间隔抵达工件外表，其压力称切割压力Pc,最后气体收缩到大气压力Pa。研讨工作标明随着Pn的增加，气流流速增加，Pc也不时增加。

    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

    关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在度（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，切割压力Pc降落，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作用，影响了切割速度。因而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。

    为进一步进步激光切割速度，可依据空气动力学原理，在进步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。为便当制造可采用如图4的构造。德国汉诺威大学激光中心运用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实验，见图4。实验结果如图5所示：分别表示NO2、NO4、NO5喷嘴在不同的氧气压力下，切口外表粗糙度Rz与切割速度Vc的函数关系。从图中能够看出NO2小孔喷嘴在Pn为400Kpa（或4bar）时切割速度只能到达2.75m/min（碳钢板厚为2mm）。NO4、NO5二种拉伐尔喷嘴在Pn为500Kpa到600Kpa时切割速度可到达3.5m/min和5.5m/min。应指出的是切割压力Pc还是工件与喷嘴间隔的函数。由于斜激波在气流的边境屡次反射，使切割压力呈周期性的变化。