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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，不锈钢板材激光切割，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；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，不锈钢板工厂，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。

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；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，磨砂不锈钢板，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。

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，陕西韩城不锈钢板，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。