激光切割喷嘴工作原理

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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 （ 0.1 mm 1.0 mm ; 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

2、 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 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

3、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

4、 软 件 工 具 包 PHOENICS 1.4 对 流 场 进 行 模 拟 2 4 效 果 比 较 理 想 ， 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 89（ 对 于 双 原 子 分 子 而 言 ） 时 ， 那 么 喷 嘴 喷 出 的 气 流 就 是

5、 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 （ Oblique Shock） ,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 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

6、 ， 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

7、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 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

8、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 。图 1 切 割 压 力 随 喷 嘴 和

9、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

10、 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 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

11、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

12、早 期 利 用 来 进 行 激 光 切 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

13、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 360 kPa 时 ） 喷 嘴 和 工 件 之 间 将 产 生 激波 ， 这 在 纹 影 图 中 可 以 清 楚 地 看 到 。 通 过 流 场 模 拟 和 压 力 传 感 器 的 测 量 可 以证 实 激 波 存 在 时 ， 切 割 压 力 会 随 喷 嘴 和 工 件 表 面 之 间 距 离 的 变 化 而 发 生 波 动， 而 且 供 气 压 力 越 高 ， 切 割 压 力 下 降 得

14、 越 明 显 。 由 于 在 传 统 型 喷 嘴 产 生 的 流场 中 ， 工 件 表 面 的 切 割 压 力 只 有 在 喷 嘴 和 工 件 表 面 之 间 距 离 很 近 时 才 有 较 大值 ， 但 在 这 种 情 况 下 喷 嘴 容 易 受 到 损 坏 ， 切 割 时 操 作 起 来 也 困 难 ， 传 统 型 喷嘴 尤 其 不 适 用 于 三 维 激 光 切 割 。图 4 传 统 型 喷 嘴 示 意 图3.2 新 型 喷 嘴 (1)附 壁 型 喷 嘴 （ Coanda Nozzle） 、 非 圆 形 喷 嘴 （ Non-circular Nozzle） （ 如 图 5 所 示 ） 5

15、,8 。设 计 这 两 种 喷 嘴 的 理 论 依 据 是 激 波 产 生 的 条 件 ： 如 果 增 加 中 心 气 流 的 环境 压 力 Pa（ 这 两 种 喷 嘴 均 使 用 双 气 流 ） ， 因 为 Pn Pa 89， 那 么 产 生激 波 的 Pn 值 就 应 增 加 ， 从 而 使 得 这 两 种 喷 嘴 在 较 大 供 气 压 力 下 工 作 时 仍 不会 产 生 激 波 。 如 附 壁 型 喷 嘴 中 心 气 流 供 气 压 力 为 700 kPa， 外 部 环 形 气 流供 气 压 力 为 350 kPa 时 ， 在 距 喷 嘴 4 mm 5 mm 远 的 工 件 表 面

16、上 形 成 500 kPa 的 切 割 压 力 。 这 种 喷 嘴 的 另 外 一 个 优 点 是 有 外 层 气 流 存 在 ， 可 以 防 止 外 面空 气 的 卷 入 ， 这 样 就 提 高 了 中 心 气 流 的 纯 度 ， 因 此 这 种 喷 嘴 不 但 可 以 提 高 切割 速 度 还 可 提 高 切 割 质 量 。图 5 附 壁 型 喷 嘴 、 非 圆 型 喷 嘴 示 意 图对 于 附 壁 型 喷 嘴 ， 内 外 喷 嘴 的 出 口 直 径 比 d/D 和 内 喷 嘴 的 倾 斜 角 度 对 工 件 表 面 的 切 割 压 力 有 明 显 影 响 。 经 研 究 表 明 ， d/D 和 值 较 大 时 ， 工件 表 面 的 切 割 压 力 Pjc 也 较 大 8 。非 圆 形 喷 嘴 的 设 计 目 的 是 为 了 破 坏 正 激 波 的 形 成 ,这 种 喷 嘴 在 较 高 的 供气 压 力 下