激光切割關鍵技術二

    噴嘴設計及控制技術

    激光切割鋼材時，氧氣和聚焦的激光束是經過噴嘴射到被切資料處，從而構成一個氣流束。對氣流的根本請求是進入切口的氣流量要大，速度要高，以便足夠的氧化使切口資料充沛停止放熱反響；同時又有足夠的動量將熔融資料放射吹出。因而除光束的質量及其控制直接影響切割質量外，噴嘴的設計及氣流的控制（如噴嘴壓力、工件在氣流中的位置等）也是非常重要的要素。往常激光切割用的噴嘴采用簡單的構造，即一錐形孔帶端部小圓孔。通常用實驗和誤差辦法停止設計。由于噴嘴普通用紫銅制造，體積較小，是易損零件，需經常改換，因而不停止流膂力學計算與剖析。在運用時從噴嘴側面通入一定壓力Pn（表壓為Pg）的氣體，稱噴嘴壓力，從噴嘴出口噴出，經一定間隔抵達工件外表，其壓力稱切割壓力Pc,最后氣體收縮到大氣壓力Pa。研討工作標明隨著Pn的增加，氣流流速增加，Pc也不時增加。

    可用下列公式計算：V=8.2d2(Pg+1）

    V-氣體流速L/min

    d-噴嘴直徑mm

    Pg-噴嘴壓力（表壓）bar

    關于不同的氣體有不同的壓力閾值，當噴嘴壓力超越此值時，氣流為正常斜激波，氣流速從亞音速向超音速過渡。此閾值與Pn、Pa比值及氣體分子的自在度（n）兩要素有關：如氧氣、空氣的n=5，因而其閾值Pn=1bar×（1.2）3.5=1.89bar。當噴嘴壓力更高Pn/Pa=（1+1/n)1+n/2時（Pn；4bar），氣流正常斜激波封變為正激波，切割壓力Pc降落，氣流速度減低，并在工件外表構成渦流，削弱了氣流去除熔融資料的作用，影響了切割速度。因而采用錐孔帶端部小圓孔的噴嘴，其氧氣的噴嘴壓力常在3bar以下。

    為進一步進步激光切割速度，可依據空氣動力學原理，在進步噴嘴壓力的前提下不產生正激波，設計制造一種縮放型噴嘴，即拉伐爾（Laval）噴嘴。為便當制造可采用如圖4的構造。德國漢諾威大學激光中心運用500WCO2激光器，透鏡焦距2.5〃，采用小孔噴嘴和拉伐爾噴嘴分別作了實驗，見圖4。實驗結果如圖5所示：分別表示NO2、NO4、NO5噴嘴在不同的氧氣壓力下，切口外表粗糙度Rz與切割速度Vc的函數關系。從圖中能夠看出NO2小孔噴嘴在Pn為400Kpa（或4bar）時切割速度只能到達2.75m/min（碳鋼板厚為2mm）。NO4、NO5二種拉伐爾噴嘴在Pn為500Kpa到600Kpa時切割速度可到達3.5m/min和5.5m/min。應指出的是切割壓力Pc還是工件與噴嘴間隔的函數。由于斜激波在氣流的邊境屢次反射，使切割壓力呈周期性的變化。