Конструкция сопла для лазерной резки

Конструкция сопла и технология управления потоком воздуха: При лазерной резке стали кислород и сфокусированный лазерный луч выстреливают через сопло в разрезаемый материал, образуя таким образом пучок воздушного потока. Основное требование к потоку воздуха заключается в том, что поток газа в разрез должен быть большим, а скорость должна быть высокой, чтобы достаточное окисление могло сделать материал разреза полностью экзотермической реакцией; В то же время, имеется достаточный импульс, чтобы выдуть расплавленный материал. Поэтому, в дополнение к качеству луча и его управлению, которые напрямую влияют на качество резки, конструкция сопла и управление потоком воздуха (например, давление сопла, положение заготовки в потоке воздуха и т. д.) также являются очень важными факторами.
Сопло, используемое для лазерной резки, имеет простую конструкцию, то есть коническое отверстие с небольшим круглым отверстием на конце (рисунок 4). Обычно оно проектируется путем эксперимента и ошибок. Поскольку сопло, как правило, изготавливается из меди, небольшого размера, оно является уязвимой частью и требует частой замены, поэтому расчет и анализ динамики жидкости не проводятся. При использовании со стороны сопла через определенное давление Pn (манометрическое давление Pg) газа, называемое давлением сопла, от выходного отверстия сопла, после определенного расстояния до поверхности заготовки, давление называется давлением резки Pc, и, наконец, расширение газа до атмосферного давления Pa. Исследовательская работа показывает, что с увеличением Pn скорость воздушного потока увеличивается, и Pc также увеличивается.
Его можно рассчитать по следующей формуле: V=8.2d2(Pg+1)
V- Расход газа л/мин
d- Диаметр сопла мм
Pg- Давление на форсунке (манометрическое давление), бар
Существуют различные пороги давления для разных газов, когда давление сопла превышает это значение, поток газа представляет собой нормальную косую ударную волну, а скорость потока газа переходит от дозвуковой к сверхзвуковой. Этот порог связан с соотношением Pn и Pa ​​и степенью свободы (n) молекул газа: например, n=5 кислорода и воздуха, поэтому его порог Pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar. Когда давление сопла выше Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2 (Pn; 4bar), нормальная наклонная ударная волна воздушного потока становится положительной ударной волной, давление резки Pc уменьшается, скорость воздушного потока уменьшается, и на поверхности заготовки образуется вихревой ток, который ослабляет эффект удаления расплавленного материала воздушным потоком и влияет на скорость резки. Поэтому используется сопло с коническим отверстием и небольшим круглым отверстием на конце, а давление кислорода в сопле часто ниже 3 бар.
Для дальнейшего повышения скорости лазерной резки можно спроектировать и изготовить сопло чешуйчатого типа, сопло Лаваля, по принципу аэродинамики, не создавая положительной ударной волны под предпосылкой увеличения давления сопла. Для удобства изготовления можно использовать конструкцию, показанную на рисунке 4. Лазерный центр Ганноверского университета, Германия, использовал лазер 500WCO2 с фокусным расстоянием линзы 2,5 дюйма и провел испытания с соплом с точечным отверстием и соплом Лаваля соответственно, как показано на рисунке 4. Результаты испытаний показаны на рисунке 5, которые соответственно представляют функциональную зависимость между шероховатостью поверхности надреза Rz и скоростью резки Vc сопел NO2, NO4 и NO5 при различных давлениях кислорода. Из рисунка видно, что скорость резки сопла с малым отверстием NO2 может достигать только 2,75 м/мин, когда Pn составляет 400 кПа (или 4 бар) (толщина пластины из углеродистой стали составляет 2 мм). Скорость резки сопел Лаваля NO4 и NO5 может достигать 3,5 м/мин и 5,5 м/мин, когда Pn составляет 500–600 кПа. Следует отметить, что давление резки Pc является функцией расстояния между заготовкой и соплом. Поскольку косая ударная волна многократно отражается при граница газового потока, давление резки периодически изменяется.
Первая область высокого давления резки находится близко к выходному отверстию сопла, расстояние между поверхностью заготовки и выходным отверстием сопла составляет около 0.5~1.5 мм, а давление резки Pc большое и стабильное, что является параметром процесса, обычно используемым в промышленном производстве. Вторая область высокого давления резки находится около 3~3.5 мм от выходного отверстия сопла, а давление резки Pc также большое, что также может дать хорошие результаты и способствует защите линзы и увеличению ее срока службы. Другие области высокого давления резки на кривой не могут быть использованы, поскольку они находятся слишком далеко от выходного отверстия сопла, чтобы соответствовать сфокусированному лучу.