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CO2激光切割工業(yè)應用及其關(guān)鍵技術(shù)
作者：
時(shí)間：2013-06-07
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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目前激光切割用的噴嘴采用簡(jiǎn)單的結構，即一錐形孔帶端部小圓孔(如圖)。通常用實(shí)驗和誤差方法進(jìn)行設計。由于噴嘴一般用紫銅制造，體積較小，是易損零件，需經(jīng)常更換，因此不進(jìn)行流體力學(xué)計算與分析。在使用時(shí)從噴嘴側面通入一定壓力Pn(表壓為Pg)的氣體，稱(chēng)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(chēng)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(zhù)Pn的增加，氣流流速增加，Pc也不斷增加?？捎孟铝泄接嬎悖?
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(guò)此值時(shí)，氣流為正常斜激波，氣流速從亞音速向超音速過(guò)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(shí)(Pn>4bar)，氣流正常斜激波封變?yōu)檎げ?，切割壓力Pc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，影響了切割速度。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。
為進(jìn)一步提高激光切割速度，可根據空氣動(dòng)力學(xué)原理，在提高噴嘴壓力的前提下不產(chǎn)生正激波，設計制造一種縮放型噴嘴，即拉伐爾(Laval)噴嘴。為方便制造可采用如圖4的結構。德國漢諾威大學(xué)激光中心使用500WCO2激光器，透鏡焦距2.5〃，采用小孔噴嘴和拉伐爾噴嘴分別作了試驗，見(jiàn)圖4。試驗結果如圖5所示：分別表示NO2、NO4、NO5噴嘴在不同的氧氣壓力下，切口表面粗糙度Rz與切割速度Vc的函數關(guān)系。從圖中可以看出NO2小孔噴嘴在Pn為400Kpa(或4bar)時(shí)切割速度只能達到2.75m/min(碳鋼板厚為2mm)。NO4、NO5二種拉伐爾噴嘴在Pn為500Kpa到600Kpa時(shí)切割速度可達到3.5m/min和5.5m/min。
應指出的是切割壓力Pc還是工件與噴嘴距離的函數。由于斜激波在氣流的邊界多次反射，使切割壓力呈周期性的變化。
第一高切割壓力區緊鄰噴嘴出口，工件表面至噴嘴出口的距離約為0.5~1.5mm，切割壓力Pc大而穩定，是目前工業(yè)生產(chǎn)中切割手扳常用的工藝參數。第二高切割壓力區約為噴嘴出口的3~3.5mm，切割壓力Pc也較大，同樣可以取得好的效果，并有利于保護透鏡，提高其使用壽命。曲線(xiàn)上的其他高切割壓力區由于距噴嘴出口太遠，與聚焦光束難以匹配而無(wú)法采用。
綜上所述，CO2激光器切割技術(shù)正在我國工業(yè)生產(chǎn)中得到越來(lái)越多的應用，國外正研究開(kāi)發(fā)更高切割速度和更厚鋼板的切割技術(shù)與裝置。為了滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)對質(zhì)量和生產(chǎn)效率越來(lái)越高的要求，必須重視解決各種關(guān)鍵技術(shù)及執行質(zhì)量標準，以使這一新技術(shù)在我國獲得更廣泛的應用。(end)
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