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激光切割機中激光噴嘴的研究

發布時間:2017/9/5     信息來源:http://www.mediaworksasia.com   作者:激光切割機    0

噴嘴是激光經導光係統傳輸聚焦後最後射入工件前的關鍵部件,也是影響切割加工質量的重要部件。為進一步提高金屬激光切割機切割質量,必須對噴嘴結構設計進行研究。通過對傳統噴嘴結構的氣流分析,指出了大功率金屬熔融切割時其對聚焦光束的不利影響以及去除熔渣的動力喪失等影響,並據此提出超音速拉法爾噴嘴的設計方法以及應用。

1.噴嘴對切割質量的影響

噴嘴的主要作用有:1)為形成光路係統最終聚焦的聚焦鏡提高容納腔。2)提供切割過程中所需要的輔助氣體。3)具有可變調焦設計(如F軸設計)的激光噴嘴,可以再激光切割過程中起到自動調節聚焦距離的功能。

影響切割質量的因素很多,如激光光束質量,數控機床的精度和運行速度、重複精度以及導光係統穩定可靠等。在諸多因素中,噴嘴的結構形式、其輔助氣體的種類、壓力、速度對於切割質量具有非常重要的影響。同時,對於整個切割過程來說,加工工件的厚度、材料類型也需要與加工噴嘴提供的輔助氣體類型、壓力、速度形成一個良好的工藝匹配。目前,對激光加工工藝的研究是當前激光研究中的重點內容,噴嘴的結構設計也是其重要的一個方麵。噴嘴直徑的大小,實踐證明具有一定影響,這是因為出口處氣流形狀以及壓力分布情況是由噴嘴大小所決定的,效率最高的情況經過試驗證明,最佳直徑在1.5mm左右。

另外,當噴嘴口與聚焦光束不同軸,這樣對於同軸噴嘴存在一定範圍的偏差,輔助氣體與光束不同軸就會出現,這樣由於吹起的偏斜而影響到切縫的一側過燒或不光滑就不可避免,造成切縫過寬,從而影響到噴嘴的損壞,使得切割無法有效進行。所以,對於同軸噴嘴來說,應該要求X、Y兩個方位平移調整噴嘴,同時,為了保證進行穩定,還應該設置緊鎖裝置。氣流特性、加工工藝的匹配對於非同軸噴嘴則更為複雜。

2.噴嘴結構及氣流分析

2.1噴嘴基本結構

通常噴嘴的形式如圖1,主要有平行,弧形和錐形三種噴嘴形式。在輔助氣體壓力增加的情況下,這三種噴嘴均可以獲得較高的切割速度和好的切割質量,各個匯總形式對此又各具影響。圖1(a)型結構簡單,容易加工、成本低,但氣流流俗和效率較差。圖1(b)型為拉法爾噴嘴,他可獲得較高的流速和較好的氣流形成狀但加工困難,廢品率高。圖1(c)型是噴嘴的常見形式,其氣流效率不如拉法爾噴嘴,結構較為簡單。

 

上述噴嘴在加入輔助氣體時,結構會有所改變。在實際加工中,噴嘴的主要剖麵結構,也主要是存在平行、錐形和弧形。

2.2常用噴嘴氣流分析

當噴入氣體壓力大於2倍的環境壓力時,噴嘴噴出的氣體是膨脹不足的。這種情況下,在噴射氣體中會形成高能量的激波,同時,噴射氣體撞擊到工件表麵後會形成障礙逆流,在離工件固體表麵的一定距離處會產生一個停滯區域。這樣正常產生的激波稱之為正激波(MSD),它位於工件表麵的上方,它導致了氣流減速到一個亞音速值。由於正激波(MSD)不可避免的會導致氣體動力性能的降低和嚴重影響切口內部的空氣動力性情況,所以,正激波的強度時非常重要的。通過正激波區域後進入切口的噴射氣體是膨脹不足的,因此,在切口的上端會形成一個膨脹波的區域,而在外端,當膨脹氣體作用到氣流邊介紹行則形成一個壓縮波,兩者的結合處,會產生一個斜激波。

同時,氣體噴射入切口時途徑一個嚴格的密封區域,因為,大部分的氣流會從同軸改變成發散的氣流,切口內部的氣體會產生一個漸強的速流,這將使切口內部的氣體穩定性大大降低。

由於斜激波會產生一個逆向的傾斜壓力,因此,切割前沿處斜激波的阻礙會產生一個分離的氣流邊界層。在分離點下的氣流會轉化成渦流和滑流,大大降低了氣流的動力傳遞和去除熔渣材料的能力。相關的一些研究表明,切口內的氣流參數以及分離邊界層,對於切口質量有著深刻的影響。通過這些研究得出,提高會使噴入氣體阻塞的正激波(MSD)強度,增加工件的厚度,首先會不可避免加劇分離層的產生,降低氣流沿切口的穿透能力和去除熔渣能力,將使切口內的氣流激波模式反而變得更差。同樣分離點也會在切縫壁上,平行平切割方向,形成一個可見的邊界,這一邊界把切縫壁分成了兩個具有不同切割質量的區域。

由於不一致的氣體流動會產生氣體密度的非均勻性,這種非均勻性會導致氣體的折射,上述的現象將嚴重影響、幹涉激光的最終聚焦,產生第二聚焦點或是激光聚焦光束發散,這種氣體幹擾將極大地影響激光切割的熔切效率和改變激光光束的模式,導致較差的切割質量和較低的切割速度。此外,激光噴嘴的底部和工件表麵之間的距離也會在切割過程中變得非常敏感,容易偏離公差範圍。

激光切割機是激光加工應用最廣泛的一種加工方法,它是非接觸光學熱加工,激光光斑非常小,能量高度集中,故其與傳統的切割加工方法相比,具有十分明顯的優勢。

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