激光切割喷嘴工作原理

《激光切割喷嘴工作原理》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、激光切割喷嘴工作原理前言　　激光切割作为一种新兴的加工方法，具有很多优点：如可加工的材料范围广，韧性材料和脆性材料均可用激光切割;切缝窄（0.1mm～1.0mm;切割速度高;被切工件热损伤小等。在国外，对激光切割工艺进行了大量的研究，然而在国内却处于起步阶段，因而有必要深入了解国外在这方面所作的研究。　　影响激光切割效率的关键因素之一就是激光切割头中喷嘴的形状及其产生的流场的特征。为了提高切割效率和质量必须精确设计喷嘴的形状，并对其产生的流场进行深入的研究。　　随着高功率的CO2激光器的研制成功，使得高速

2、切割厚板成为可能，研究表明［1］，要提高切割速度，就必须提高工件表面的切割压力，而要提高工件表面的切割压力就得提高喷嘴的供气压力，但是传统喷嘴在提高供气压力时会产生激波。由于激波的存在，提高供气压力不但不能提高切割速度，反而会使切割工艺产生许多不良影响，所以必须对喷嘴进行精确的设计才能满足切割厚板和三维切割的要求。目前对流场分析一般采用拍摄纹影图的方法，利用压力传感器测量流场中的压力和有限元的方法对流场进行计算机模拟。在国外一般利用现成的软件工具包PHOENICS1.4对流场进行模拟［2～4］效果比较理想

3、，但是该软件价格昂贵且国内不易获得，因此需工程技术人员自己编程对流场进行模拟。2　流场中激波产生的条件及对切割工艺的不良影响2.1　激波产生的条件［5］　　任何喷嘴，如果喷出的气流压力Pn和周围环境的压力Pa之比Pn/Pa＞⒈89（对于双原子分子而言）时，那么喷嘴喷出的气流就是未充分膨胀的超音速气流，且气流中产生激波。气流突然膨胀形成激波。激波可分为正激波（MSD）和斜激波（ObliqueShock）,流场中存在正激波时对切割工艺的影响更大。2.2　激波存在的危害　　(1)激光切割过程中，激光束要穿过喷嘴

4、产生的气体流场。众所周知激光的折射率和气流的密度有关,在流场中产生激波时，在激波处气流的密度会发生突变，这样激光的折射率就会发生变化，从而导致焦点位置发生变化。焦点位置发生变化，那么切割速度和切缝宽度均会受到很大影响。　　(2)激光切割过程中为了提高切割速度，使切割性能更稳定，要求工件表面的切割压力值要大，且随喷嘴和工件表面之间距离的变化比较稳定。然而当流场中存在激波时，在激波处气流压力会发生突变，这样使切割压力随喷嘴和工件表面距离的变化而发生变化［5］（如图1所示），同时切割压力值比供气压力值少得多。喷

5、嘴供气压力越大产生激波的强度就越大，切割压力值减少就越多,这样不但降低切割速度，切割性能稳定性也变差。　　(3)如果喷嘴和工件表面之间存在正激波，在喷嘴和工件表面之间的流场中将产生涡流［4，5］（如图2所示），由于涡流旋转方向和切缝中的熔化金属及碎屑排出的方向相反，使得熔化金属及碎屑排出变得困难。同时涡流产生有利于等离子体的形成，等离子体会吸收激光束的能量，这样工件吸收的能量就要减少，切割效率就会下降。并且等离子体存在会使激光束发生散焦，激光束的模式也可能会发生变化［6］（如图3所示），从而使切割质量变差

6、。图1　切割压力随喷嘴和工件表面距离的变化示意图图2　存在正激波时流场中产生涡流示意图M—马赫数。图3　焦点位置变化示意图　　(4)如果喷嘴和工件表面之间存在激波,那么流场的紊流度增加。在有些情况下，如利用氮气进行激光切割，会使周围空气中的氧气混入氮气中，这样切缝中的氧化物将增多，切割质量变差。　　(5)在分析切缝表面的波纹（ripple）时，会发现波纹频率在切缝的上下部分不一样。切缝上部波纹频率高，切割质量好。切缝下部波纹频率低，切割质量差。研究发现波纹频率和气流压力有关［1］。气流压力越大，波纹频率越

7、高。通过拍摄模拟切缝的纹影图［7］或流场模拟［2～4］，均可发现在模拟切缝前沿存在激波和气流分离现象。由于在激波的下部气压比切缝下边缘周围大气压力要小，这样会使熔化金属和熔渣发生回流，导致激光切割质量变差，切割速度下降。3　各种喷嘴优缺点的比较　　为了获得较高的激光切割速度和较好的切割质量，要求喷嘴所产生的流场在工件表面的切割压力尽可能的高，且随喷嘴和工件表面之间距离的变化波动要较小。在流场中最好不产生激波或在供气压力很高时才产生，同时流场的紊流度要小。3.1　传统型喷嘴　　这些喷嘴是早期利用来进行激光切

8、割的喷嘴（如图4所示）。在二维薄板切割时，它们基本上能满足工作要求。由于这些喷嘴形状简单，制造成本低，目前仍有不少激光切割机使用这类喷嘴。但是在切割较厚的钢板时，为了提高切割速度就要求增加喷嘴的供气压力，对于传统型喷嘴来说，起初随喷嘴供气压力的提高，切割速度会增加，但随着供气压力的进一步提高，切割速度就不会继续增加，相反切割质量反而下降。主要原因是在供气压力P0超过一定值后（如锥形喷嘴P0＞360kPa时）喷嘴和工件之间将产生