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，氧气和聚焦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；同时又有足够的动量将熔融材料喷射吹出。因此，除光束的质量及其控制直接影响切割质量外，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，后气体膨胀到大气压力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，不锈钢板重量计算公式，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，泸州不锈钢板，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。应指出的是切割压力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，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，与聚焦光束难以匹配而无法采用。

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铝

尽管有高反射率和热传导性，厚度6mm以下的铝材可以切割，这取决于合金类型和激光器能力。当用氧切割时，不锈钢板冲压，切割表面粗糙而坚硬。用氮气时，切割表面平滑。纯铝因为其高纯非常难切割，只有在系统上安装有“反射吸收”装置的时候才能切割铝材。否则反射会毁坏光学组件。

钛

钛板材用气和氮气作为加工气体来切割。其它参数可以参考镍铬钢。

铜和黄铜

两种材料都具有高反射率和非常好的热传导性。厚度1mm以下的黄铜可以用氮气切割；厚度2mm以下的铜可以切割，加工气体必须用氧气。只有在系统上安装有“反射吸收”装置的时候才能切割铜和黄铜。否则反射会毁坏光学组件。

合成材料

切割合成材料时要牢记切割的危险和可能排放的危险物质。可加工的合成材料有：热塑性塑料、热硬化材料和人造橡胶。

有机物

在所有有机物切割中都存在着着火的危险（用氮气作为加工气体，也可以用压缩空气作为加工气体）。木材、皮革、纸板和纸可以用激光切割，切割边缘会烧焦（褐色）。

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