激光切割是將從激光器發(fā)射出的激光,經(jīng)光路系統(tǒng),聚焦成高功率密度的激光束。激光束照射到工件表面,使工件達到熔點或沸點,同時與光束同軸的高壓氣體將熔化或氣化金屬吹走。
在激光切割鋼材的精密過程中,氧氣與高度聚焦的激光束經(jīng)精心設(shè)計的噴嘴精準導(dǎo)向至待切割材料表面,共同形成一股高效能的氣流束。此氣流的關(guān)鍵特性在于其需具備大流量與高速度,旨在促進切口區(qū)域內(nèi)的充分氧化反應(yīng),以釋放足夠的熱量并加速材料的切割過程;同時,這股強力氣流還需承載足夠的動量,以有效吹離并排除熔融態(tài)的金屬殘渣,確保切割面的清晰與精確。因此,激光切割的質(zhì)量不僅直接受制于激光束本身的品質(zhì)及其精準控制,還深刻依賴于噴嘴結(jié)構(gòu)的精妙設(shè)計以及與之配套的氣流調(diào)控技術(shù)。這包括但不限于對噴嘴內(nèi)部壓力的精確調(diào)節(jié)、優(yōu)化工件在氣流場中的相對位置,以及確保氣流分布的均勻性與穩(wěn)定性,這些均是決定切割效率、精度及表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。通過不斷的技術(shù)革新與優(yōu)化設(shè)計,噴嘴設(shè)計與氣流控制技術(shù)正推動著激光切割工藝向更高效、更精細的方向發(fā)展。激光切割用的噴嘴采用簡單的結(jié)構(gòu),即一錐形孔帶端部小圓孔(如圖)。
在使用時從噴嘴側(cè)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(jīng)一定距離到達工件表面,其壓力稱切割壓力Pc,最后氣體膨脹到大氣壓力Pa。研究工作表明隨著Pn的增加,氣流流速增加,Pc也不斷增加。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
對于不同的氣體有不同的壓力閾值,當噴嘴壓力超過此值時,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由度(n)兩因素有關(guān):如氧氣、空氣的n=5,因此其閾值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?yōu)檎げǎ懈顗毫c下降,氣流速度減低,并在工件表面形成渦流,削弱了氣流去除熔融材料的作用,影響切割速度。因此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。
激光切割的輔助氣體通常有氧氣、空氣和氮氣這三種,切割不同材料要用不同的輔助氣體。根據(jù)切割材料厚度的不同,其輔助氣體的壓力和流量也是不一樣的,輔助氣體的氣壓對激光切割效果有直接影響。輔助氣體在激光切割機運行時可以將熔渣及時吹走,冷卻工件和清潔透鏡。
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