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，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，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，不锈钢板规格型号，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。

鉴别方法编辑

304和316不锈钢的区别

现在常用的两种不锈钢304，316（或对应于德/欧标的1.4308，1.4408），316与304在化学成分上的主要区别就是316含Mo，而且一般公认，316的耐腐蚀性更好些，比304在高温环境下更耐腐蚀。所以在高温环境下，工程师一般都会选用316材料的零部件。但所谓事无，在环境下，再高温度也千万别用316！不然这事可就出大了。学机械的人都学过螺纹，还记得为了防止在高温情况下螺纹咬死，需要涂抹的一种黑乎乎的固体润滑剂吧：二硫化钼（MoS2），从它就得出了2点结论不是：[1]Mo确实是一种耐高温的物质（知道黄金用什么坩埚熔吗？钼坩埚！）。[2]：钼很容易和硫离子反应生成硫化物。所以没有任何一种不锈钢是超级无耐腐蚀的。说到底，不锈钢就是一块杂质（不过这些杂质可都比钢更耐腐蚀^^）较多的钢，是钢就可以和别的物质反应。

与传统的氧乙、等离子等切割工艺相比，激光切割速度快、切缝窄、热影响区小、切缝边缘垂直度好、切边光滑，同时可激光切割的材料种类多，包括碳钢、不锈钢、合金钢、木材、塑料、橡胶、布、石英、陶瓷、玻璃、复合材料等。随着市场经济的飞速发展和科学技术的日新月异，激光切割技术已广泛应用于汽车、机械、电力、五金以及电器等领域。近年来，激光切割技术正以的速度发展，每年都以15%~20%的速度增长。我国自1985年以来，更是以每年近25%的速度增长。当前，我国激光切割技术的整体水平与国家相比还存在着不小的差距，因此，在激光切割技术具有广阔的发展前景和巨大的应用空间[1]  。

激光切割机在切割过程中，光束经切头的透镜聚焦成一个很小的焦点，使焦点处达到高的功率密度，其中切头固定在z轴上。这时，不锈钢板规格表，光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分热量，材料很快被加热到熔化与汽化温度，与此同时，一股高速气流从同轴或非同轴侧将熔化及汽化了的材料吹出，形成材料切割的孔洞。随着焦点与材料的相对运动，使孔洞形成连续的宽度很窄的切缝，完成材料的切割[1]  。

当前，激光切割机的外光路部分主要采用的是飞行光路系统。从激光发生器发出的光束经过反射镜1、2、3到达切头上的聚焦透镜，聚焦后在待加工材料表面形成光斑。其中反射镜片1固定在机身上不动；横梁上反射镜2随着横梁的运动作x向运动；z轴上的反射镜片3随z轴的运动作y向的运动。从图中不难看出，广安不锈钢板，在切割过程中，随着横梁作x向运动，304不锈钢板厂家，z轴部分作y向运动，光路的长度时刻发生着变化[1]  。

目前，民用激光发生器由于制造成本等原因，所发出的激光光束都具有一定的发散角，呈“锥形”。当“锥形”的高度改变时（相当于激光切割机光路长度改变），聚焦透镜表面的光束横截面面积也随之改变。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极限值。由于高斯光束呈“锥形”和光波的衍射作用，当光路长度变化时，作用在透镜表面的光束直径时刻发生着变化，这就会引起焦点大小和焦点深度的变化，但对焦点位置的影响很小。如果焦点大小和焦点深度在连续加工中发生变化，必然会对加工产生很大影响，比如，会造成切割缝宽度不一致、在相同切割功率下会割不透或烧蚀板材等[1]  。

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