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喷嘴设计及气流控制

喷嘴设计及气流控制技术： 激光切割钢材时,氧气和-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；厚度在10mm以上的板材，对激光器使用特殊极板并且在加工中给工件表面涂油可以得到较好的效果。同时又有足够的动量将熔融材料喷射吹出。因此，除光束的及其控制直接影响切割外,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。

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如图4。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,后气体膨胀到-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。激光器是利用电能转换成光能的装置，如co2气体激光器的转换率一般为20%，剩余的能量就变换成热量。

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

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pn、pa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×(1.2)3.5=1.89bar。当喷嘴压力更高pn/pa=(1+1/n)1+n/2时pn；此外，光还具有波的性质，因此，不可避免地会出现衍射现象，衍射会使光束在传播过程中发生横向扩展，该现象存在于所有的光学系统中，能够决定这些系统在性能方面的理论-值。4bar,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no2、no4、no5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pn为400kpa或4bar时切割速度只能达到2.75m/min碳钢板厚为2mm。no4、no5二种拉伐尔喷嘴在pn为500kpa到600kpa时切割速度可达到3.5m/min和5.5m/min。应-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。耐高温800度，具有加工性能好，韧性高的特点，广泛使用于工业和家具装饰行业和食品医行业。

高切割压力区紧邻喷嘴出口,工件表面至喷嘴出口的距离约为0.5~1.5mm,切割压力pc大而稳定,是工业生产中切割手扳常用的工艺参数。第二高切割压力区约为喷嘴出口的3~3.5mm,切割压力pc也较大,同样可以取得好的效果,并有利于保护透镜,提高其使用寿命。曲线上的其他高切割压力区由于距喷嘴出口太远,与-光束难以匹配而无法采用。高温氧化性不锈钢板都具有高温氧化性，但是，氧化率会受暴露环境以及产品形态等固有因素的影响。

应用对比编辑

在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙火焰切割；第二部分表示不同的形状、种类、用途，如pplate表示板，ttube表示管，kkogu表示工具。对于薄板采用剪床下料,成形复杂零件大批量的采用冲压，单件的采用振动剪。七十年代后,为了-和提高火焰切割的切口，又推广了氧乙精密火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期,又发展了数控步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点，在工业生产中有一定的适用范围。激光切割机的研发与应用无疑是对现代工业生产的重大提高和-突破。

工艺名称

切 缝(mm)

变 形

精 度

图形变更

速 度

费 用

激光切割

很 小0.1-0.3

很 小

高0.2mm

很容易

较 低

较 高

等离子切割

较 小

较 大

高1mm

水切割

小

高

容 易

模冲切割

低

难

锯 切

很 慢

线切割

气燃体切割

很 大

严 重

较容易

电火花切割

很 高

数控切割机床

由三部分组成，即工作台一般为精密机床、光束传输系统有时称外光路，即激光器发出的光束到达工件前整个光程内光束的传-学、机械构件和微机数控系统。按切割柜与工 作台相对移动的方式，可分为以下三种类型：

1在切割过程中，光束由割炬射出与工作台都移动，一般光束沿y向移，工作台在x向移。

2在切割过程中，只有光束割炬移动，工作台不移动。

3在切割过程中，只有工作台移动，而光束割炬则固定不动。

五轴机

工业生产中有时遇到需要切割三维立体构件的问题，而一般的二轴、三轴激光切割机只能切割二维平面工件，这就需要装备有机械手的切割机，即五轴机。

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