（机械制造及其自动化专业论文）高压气体辅助激光切割喷嘴型式及其流场分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 激光切割以其独特的优点在工业领域有着非常广泛的应用，随着应用领域的 不断扩展激光切割中的一些关键性技术也迫切需要得到解决。喷嘴及其射流流场 是激光切割重要的影响因素之一。性能优良的激光切割喷嘴及其射流流场特性对 于提高激光切割能力、效率和质量具有重要意义。 通过对激光切割机理和喷管中产生超音速气流原理的分析，在总结前人基础 上作者首先改进了激光切割喷嘴的设计，该新设计的超音速喷嘴共由四个部分组 成：平行段、收缩段、喉部以及扩张段，每一部分都按空气动力学理论严格设计。 然后根据可压缩轴对称n s 方程，采用非结构网格有限体积法和标准k e 模型 对传统加工中应用的平行形、圆锥形、会聚形和新设计的超音速喷嘴在不同入口 滞压下的射流特征进行了数值分析，数值分析结果和纹影图实验方法的结果取得 ， 了良好的一致。从分析结果可以看出传统加工中应用的平行形、圆锥形以及会聚 形喷嘴的射流的射流边界、速度、压力分布以及气体密度等在高入口滞压下射流 流场具有相似性i 喷嘴出口会有激波产生，射流流场有较大的波动：而本文设计 的超音速喷嘴在设计工作压力下工作的超音速喷嘴比传统喷嘴具有更为优良的 射流流场，其射流边界整齐、气流动量高、流速、压力及密度分布均匀。 数值分析结果表明，喷嘴内部形状及其入口滞压对其射流具有重要影响，本 文所设计的激光切割超音速喷嘴在设计工作压力下工作，其出口马赫数等于理论 值，射流流场具有更好的特性，更有利于提高激光切割的能力、效率和质量并降 低切割成本，十分适合于高速、大厚度及三维激光切割。 关键词：激光切割，高压，超音速喷嘴，流场分析，c f d 江苏大学硕士学位论文 a b s t i - a c t l a s e rc u t t i n gh a saw i d ea p p l i c a t i o nb e c a u s eo fi t sg o o dc h a r a c t e r i s t i c s w i t l lt h e a p p l i c a t i o ne x p a n d i n g ，s o m eo fk e yt e c h n o l o g i e sw h i c hr e s t r i c t t h ea p p l i c a t i o n e x p a n d i n gm u s tb er e s o l v e d n o z z l ea n di t sg a sj e tf i e l da r eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n tf a c t o r s s ot h er e s e a r c ho nl a s e rc u t t i n gn o z z l ea n di t sg a sj e tf i l e di s i m p o r t a n tt oi m p r o v et h ec a p a b i l i t y ，e f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo f l a s e rc u t t i n g b yt h ei n v e s t i g a t i o no ft h el a s e rc u t t i n gt h e o r ya n dt h et h e o r yo fs u p e r s o n i cg a s p r o d u c e di nn o z z l e ，t h i sp a p e rd e v e l o p st h ed e s i g no ft h es u p e r s o n i cn o z z l eo nt h e b a s i so fo t h e rd e s i g n t h i sn e wd e s i g n e ds u p e r s o n i cn o z z l ec o n t a i n sf o u rs e c t i o n s ： s t a b l e ，c o n v e r g e n t ，t h r o a ta n dd i v e r g e n t e a c ho ft h e s es e c t i o n si sd e s i g n e ds t r i c t l y b a s e do nt h ea e r od y n a m i ct h e o r y t h i sp a p e ra n a l y s e st h eg a sj e tf r o mt h ep a r a l l e l ， c o n i c a l ，c o n v e r g e n ta n dn e wd e s i g n e ds u p e r s o n i c n o z z l eo nd i f f e r e n tw o r k i n g p r e s s u r eu s i n gs t a n d a r dk - sm o d e la n du n s t r u c t u r e dg r i df i n i t ev o l u m em e t h o dw i t h c o m p r e s s i b l ea x i s s y m m e t r yn - se q u a t i o n i ti so b v i o u st h a tt h er e s u l t so f n u m e r i c a l a n a l y s i sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h es c l l l i e m np h o t o g r a p h s b yt h ec o m p a r i s o n so ft h eg a sj e tb o u n d a r y , t h es p e e d ，t h ep r e s s u r ea n dg a s d e n s i t yd i s t r i b u t i n g ，w ec a ns e et h a tt h e r ei ss h o e k w a v eo nt h ee x i to ft h ep a r a l l e l ， c o n i c a l ，c o n v e r g e n ta n ds u p e r s o m cn o z z l e t h eg a sj e tf r o mt h en e wd e s i g n s u p e r s o n i cn o z z l ew o r k i n go nd e s i g nw o r kp r e s s u r eh a sb e t t e rc h a r a c t e r i s t i c st h a n o t h e rn o z z l e s t h eg a sj e tf x o ms u p e r s o n i cn o z z l ew i t hat i d yb o u n d a r y , h i 曲 m o m e n t u m ，g o o du n i f o r m i t yo f v e l o c i t ya n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i n gc a nb eo b t a i n e d t h er e s u l t so fn u m e r i c a la n a l y s i si n d i c a t et h a tt h en o z z l ei n t e r i o rs h a p ea n dt h e i n l e tp r e s s u r eh a v ei m p o r t a n te f f e c to ni t sg a sj e t t h er o a c hn u m b e ro fg a sj e tf r o m t h es u p e r s o n i cn o z z l ed e s i g n e db yt h i sp a p e rw o r k i n go nt h ed e s i g n e dp r e s s u r ei s e q u a lt ot h et h e o r e t i c a ln u m b e r t h eg a sj e th a sg o o dc h a r a c t e r i s t i c s ，a n di sm o r e b e n e f i c i a lt oi m p r o v et h ec a p a b i l i t y , e f f i c i e n c ya n dt h eq u a l i t yo fl a s e rc u t t i n ga n dt o r e d u c et h ec o s t s oi ti sv e r ys u i t a b l ef o r 场g h - s p e e d 1 a r g e t h i c k n e s sl a s e rc u t t i n ga n d t h r e e - d i m e n s i o n a ll a s e rc u t t i n g k e y w o r d s ：l a s e rc u t t i n g ，h i g hp r e s s u r e ，s u p e r s o n i cn o z z l e ，g a sf i l e da n a l y s i s ，c f d i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 不保密函 学位论文作者签名：褐：f 扛 上；“年月i 各日 指导教师签名：刎讯 力膨占年占月方日 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以钋，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：楠爿久 州年6 月p 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 激光切割对于国民经济的意义 1 1 1 激光切割的广泛应用及其优点 激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术，它占整个激光加工业的 7 0 以上幽，六十年代初就开始有了激光切割的试验，但直到1 9 7 0 年前后有 了5 0 0 1 0 0 0 w 模式为t e m 0 0 的c o 。激光切割器以后激光切割才达到工业应用水平 因而得到迅速的发展“1 。激光切割运用高能量的聚焦光束，可以对多种金属材料 ( 如碳钢、不锈钢、铝、钛及其合金钢等) 和非金属材料( 如木材、皮革、塑料、 布匹、纸制品等) 进行高精度的切割加工，目前激光切割己广泛地应用于汽车、 机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门中“m 3 。n 0 1 。 ， 与其他切割方法相比，激光切割的广泛应用得益于以下明显的优点“1 。 ( n ) 1 2 1 0 s ) ： ( 1 ) 切割质量好。激光束聚焦成很小的光点，使得焦点处达到很高的功率 密度。这时激光输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的的部分，材料很 快加热至融化或者汽化程度，因而切口宽度窄、精度高、热影响区小，切口表面 粗糙度低、无毛刺、垂直度高，由于是非接触式加工无接触应力，无机械变形和 刀锯磨损，工件一般不需要其他处理加工即可进行后续加工。 ( 2 ) 切割速度快。由于激光束直径很小能量很集中可以形成很高的功率密 度，当采用氧气辅助切割时氧气和被切割材料反应放热进一步加快切割速度。 ( 3 ) 自动化程度高，具有高的适应性和柔性，易于和自动化设备相结合， 容易实现切割过程的自动化，激光切割和计算机相结合具有无限仿形能力，并可 以整张排料，节省材料。 ( 4 ) 切割材料范围广，可以切割金属、非金属等，可以加工任何硬度的材 料，甚至可以切割透明的玻璃。 ( 3 ) 清洁、安全、无污染。大大改善了操作人员的工作环境。 江苏大学硕士学位论文 1 1 2 激光切割的发展趋势1 明“钔 在国外，随着数控技术和激光器自身的发展激光切割工艺发展方向主要表现 在以下几个方面： ( 1 ) 速度和精度进一步提高，各种专用切割系统、材料输送系统以及直线 电机驱动系统等不断发展为激光切割的切割速度和精度的提高创造了条件； ( 2 ) 切割厚度和工件尺寸范围不断扩大，为扩展其在工程机械、造船工业 等领域的应用，大功率激光器不断出现，目前6 k w 的激光切割机切割厚度已超过 3 0 m e ，激光切割加工工件的尺寸已经达到5 4 r e x 6 m ； ( 3 ) 向着自动化和无人化方向不断发展，这得益于先进的自动控制、网络 控制技术以及计算机生产辅助系统等的发展激光切割正，激光切割的效率不断提 高、工人劳动强度不断下降； ( 4 ) 从二维向三维方向发展，采用三维立体多轴数控激光切割系统或配置 工业机器人，切割空间曲线，开发各种三维切割软件，以加快从画图到切割零件的 过程。 鉴于激光切割的诸多优点和广泛引用，改善激光切割质量、提高激光切割的 加工能力( 切割速度、切割厚度以及被加工工件的尺寸等方面) ，进一步扩大其 工业应用范围，对于加工制造业和整个国民经济具有十分重要的意义。 1 2 激光的切割分类及影响因素 要推广进一步激光切割，必须弄清激光切割的机理，分析激光切割的各种影 响因素，发展制约激光切割应用领域进一步扩大的关键性技术。激光切割是用聚 焦镜将激光束聚焦在材料表面使材料熔化或汽化，同时用与激光束同轴的压缩气 体吹走被熔化的材料( 如果辅助气体为氧气则氧气与被加工材料发生氧化反应发 出热量加快切割速度) ，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定 形状的切缝( 如图1 - t 所示) 。 1 2 1 激光切割的分类 激光切割是一个复杂的物理化学变化过程，按其切割机理的不同大致可分为 四种切割方法4 m “： 江苏大学硕士学位论文 图卜1 激光切割不意图 1 、汽化切割 这种切割使用的激光功率密度很高，激光束照到工件表面，小部分被反射， 其余部分被吸收变为热能，在高功率激光束的加热下工件材料表面的温度升至沸 点非常之快，足以避免因热传导而形成的熔化，部分材料直接汽化消失另一部分 被辅助气体从切缝底部吹走使得被加工工件形成切口。 汽化切割主要使用脉冲激光，主要用于木材、塑料及陶瓷的切割，这些材料 没有固定的熔点。 2 、熔化切割 当入射的激光束功率密度超过一定值以后，激光束照射点的材料开始蒸发， 形成孔洞。一旦小孔形成相当于形成一个黑体，它将吸收所有的入射光束的能量， 小孔被融化的金属壁包围，但熔化物不是靠汽化过程清除，而是另外用辅助气体 吹除。气体喷嘴常与激光束同心。 3 、反应熔化切割 利用激光束将材料加热到燃点( 材料在纯氧中的燃烧温度) ，然后通以能与材 料反应的工业纯氧，放出的热量为下一层反应和切割提供能量，在切割低碳钢时， 钢在纯氧中燃烧释放出的能量占全部能量的大部。因此这种方法所需的激光能量 比汽化切割要小得多，氧化反应放出的大量的热可以提高切割速度。 4 、控制断裂切割 对于容易受热破坏的脆性材料，通过激光束加热进行高速、可控的切断称为 控制断裂切割。这种切割的主要内容是：激光束加热脆性材料小块区域，引起该 江苏大学硕士学位论文 区域大的热梯度和严重的机械变形导致材料形成裂缝。只要保持平衡的加热梯 度，激光束可引导裂缝在任何需要的方向产生。 激光融化切割和反应融化切割在实践中有着最为广泛的应用。 1 2 2 激光切割的影响因素 激光融化切割是一个复杂的加工过程，切割过程中激光束本生特性、材料特 性、气体流场以及加工工艺参数都会影响到切割速度、厚度及切割质量 in 1 5 、 1 8 】 1 、与激光束相关的因素 ( 1 ) 激光功率 显然激光功率对切割时的输入能量有直接的影响，当激光功率在最大激光功 率的8 0 9 0 变化时对切割过程的影响不是十分很大“”。太低的激光功率导 致不完全切穿，熔渣不能排出将会导致工件过热，激光功率太高也会在锐角转角 导致局部过热n “，此外在部分场合高激光功率的切割速度、切割厚度和切割质 量反而不如较低的激光功率。原因在于这些低功率的激光模式更加容易聚焦到一 点更适合激光切割，因此激光模式也是激光切割的另一重要因素。 ( 2 ) 激光模式 激光模式描述了激光束横截面的能量密度分布模式，图卜2 所示。光束模式 越低，聚焦后的光斑直径越小，功率密度和能量密度越大。同时激光模式的对称 性对切割质量也有很大的影响。如果激光模式不对称( 即能量密度分布不对称) ， 意味着聚焦后的激光束横截面积有的地方比其他地方更热这样切割质量和切割 速度就会和切割方向有关。 一般用t e m p q 来表示激光模式，t e 1 0 0 模式即g a u s s i o n 模式的能量分布，在 所有可以利用的激光模式中g a u s s i o n 模式具有最小的激光光斑和最长的焦深以 最高的及能量密度n 0 3 n ”。 4 江苏大学硕士学位论文 3乏 高斯梗示意图 i i i 黼a 断面b 面和b 面垂直 环形梗示意图 厩衬 巡纱 图卜2 激光束模式示意图 ( 3 ) 激光功率密度和能量密度 功率密度是指单位面积上激光的照射功率，能量密度是指单位面积上激光所 照射的能量，在实际激光切割中，照射到工件上的功率密度和能量密度对激光切 割速度、切割厚度和切割质量起着十分重要的作用。当激光功率一定时，能量密 度越大，所能切割的板厚也就越大，随着功率密度的提高起先切割的粗糙度降低， 但是到达一定的值厚粗糙度不再降低n 2 3 。 ( 4 ) 激光束发散角的影响 给定一个激光输出功率，激光功率密度正比于4 ( nd 2 ) ，其中d 为激光束直 径。对于绝大部分激光切割，为了获得高的能量密度并且只产生较小的热影响区 要求激光光束直径越小越好。对于一个给定透镜焦距f ，聚焦光束直径的大小和 发散角。成正比， d ：2 fo + 0 0 3 ( d f ) 2 ( 卜1 ) 这里d 是原始激光束直径，因而要求发散角越小越好。 ( 5 ) 偏振光的影响 “偏振”意思是光子具有相互平行的电或者磁的矢量特性，偏振性导致光束 具有方向性特征。具有偏振光的激光束照射到工件上，尤其是金属材料上时，材 料对p 偏振面的光的吸收率远远高于s 偏振面n 2 儿n 8 1 ，从而导致激光切割的不 同效果，切割质量有所波动，如切l ：q 变宽或者不整齐。因此激光束的偏振光必须 江苏大学硕士学位论文 用非偏振光束去除或者加以改善。 2 、与材料相关的因素 虽然激光切割能够加工的材料的范围非常广泛，但是大部分商业性质的切割 材料都是金属。金属与非金属材料的一个显著的不同特点就是其光学及热性能。 ( 1 ) 吸收率 金属对激光的吸收率是激光切割中最重要的参数。金属对激光束的吸收率和 激光波长、温度、直接电阻、金属表面光洁度、激光束偏振现象、等离子体的产 生以及入射角有关，工件对激光的吸收率和激光波长以及激光束偏振现象有着密 切的关系。 ( 2 ) 材料的热学性能 激光氧化切割中被工件吸收的能量和氧化反应和产生切缝所用热量以及热 传导、热辐射、热对流所损失的能量相平衡。 ( 3 ) 材料及其氧化物的物理特性 熔渣从切口中的脱落和金属及其氧化物的物理特性息息相关。f e o 和e r a 0 3 的表面张力大概分别比f e 的表面张力分别高出三倍和一倍，f e 、f e o 以及不锈 钢的粘度都随着温度的升高而下降，但是f e o 的粘度降低的非常快，并且在温度 高于1 7 0 0 。c 时其粘度低于f e 和不锈钢。高的表面张力和粘度妨碍熔渣从切口中 平滑地脱落、降低切割质量降低了切割速度。 表卜l 几种材料熔融状态时的表面张力1 7 3 材料温度( )表面张力( d y n e c m ) f e1 5 7 01 7 0 0 - 1 8 0 0 c u1 0 8 31 3 5 0 a l ：0 3 2 0 5 0 2 4 0 03 6 0 5 7 0 c r 2 0 3 2 3 5 0 2 5 0 08 1 0 p e o5 8 0 3 、与加工工艺相关的因素 对于固定的已经建立好的激光系统其切割材料是选定了的，其加工时候许多 工艺参数是固定的，然而还必须控制大量的其他工艺参数才能获得稳定高质量的 6 江苏大学硕士学位论文 切割边界，这些参数包括聚焦透镜、焦点在工件表面的位置、切割速度以及辅助 气体等。 ( 1 ) 聚焦透镜和聚焦位置 激光切割的优点之一是光束的能量密度高，一般大于l o w c m 2 。由于能量密 度与4 nd 2 成正比，所以焦点光斑直径尽可能的小，以便产生一窄的切缝：同 时焦点光斑直径还和透镜的焦深成正比。聚焦透镜焦深越小，焦点光斑直径就越 小因而对于输出功率一定的激光器能达到较高的能量密度，这样切割速度可以提 高，切缝较窄，切割表面也更为平滑。但焦深减少的很快，这将直接导致了切缝 垂直度降低并且在切割边界的上下表面的粗糙度不一致，且当切割有飞溅时，透 镜离工件太近容易使透镜损坏，因此，短焦距透镜一般只适用于薄板的切割。对 于厚板切割，采用长焦距的透镜切割产生的切缝垂直度较高，切割边界上下表面 的粗糙度也比较接近。对于高质量的切割，有效焦深还和透镜直径及被切材料有 关。 在工业生产中确定焦点位置的简便方法有三种”1 a ) 打印法：使切割头从上往下运动，在塑料板上进行激光束打印，打印直径 最小处为焦点。 b ) 斜板法：用和垂直轴成一角度斜放的塑料板使其水平拉动，寻找激光束 的最小处为焦点。 c ) 蓝色火花法：去掉喷嘴，吹空气，将脉冲激光打在不锈钢板上，使切割头 从上往下运动，直至蓝色火花最大处为焦点。 ( 2 ) 切割速度的影响 激光切割得到广泛应用的原因之一就是其高的加工效率。切割速度受到许多 因素的影响，直接影响着激光切割的加工效率。对于给定的加工材料，厚度和激 光功率一定时，其切割速度有一个适当的范围，切割速度在这一范围内时能够得 到较好的切割质量。切割速度过大，热量不足，无法切穿或者产生太多的挂渣： 切割速度太小热量过于集中，会产生过热现象，烧坏切割边缘。 3 、喷嘴及辅助气体的影响 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。喷嘴的设计及气流的控制对于激光切割效率和质量具有十分重要 7 江苏大学硕士学位论文 的影响。特别是在使用惰性气体的激光融化切割中，高的表面张力以及熔融金属 高的粘性要求切割表面上必须有高的曳力。这种曳力的动力来源是喷嘴入口的滞 压，并与轴对称喷嘴射流的动力学特性紧紧相关。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。 1 3 喷嘴及气流控制技术的重要作用 在我国要扩大激光切割的工业应用领域，解决新的应用中一些技术难题仍然 是工程技术人员的重要课题。激光切割的几项关键技术是光、机、电一体化的综 合技术，特别是对于切割精度较高或厚度较大的零件，聚焦透镜和聚焦位置、切 割穿孔技术以及喷嘴及气流控制技术是必须掌握和解决的几项关键技术“。 研究表明要提高切割速度和切割厚度，就必须提高工件表面的切割压力，而 要提高工件表面的切割压力就得提高喷嘴的供气压力“，但是激光切割中在高 进口滞压条件下喷嘴射流的分布和行为是非常复杂的。任何喷嘴，如果工作压力 p o 和周围环境的压力p b 之比p o p b 2 ( k + 1 ) 排4 ，对于双原子分子而言p o p b 1 8 9 时，即当p o 2 1 b a r 时会产生超音速射流现象恤1 ，出口部位可能存在激波( 正 激波n o r m a ls h o c kd i s k 和斜激波o b l i q u es h o c k ) n 2 3 n 3 1 啪1 ，流场中存在正激波时 对切割工艺的影响更大。这时提高供气压力不但不能提高切割速度，反而会对切 割质量产生许多不良影响。 ( 1 ) 当流场中存在激波时，在激波处气流压力会发生突变，这样使切割压力随 喷嘴和工件表面距离的变化而发生变化，同时切割压力值比供气压力值少得多， 如图卜3n 2 啪3 朝所示。喷嘴供气压力越大产生激波的强度就越大，切割压力值减 少就越多，这样不但降低切割速度，切割性能稳定性也变差。 江苏大学硕士学位论文 图i - 3 切割压力随喷嘴和工件表面之间距离变化示意图 ( 2 ) 流场的紊流度增加，在有些情况下，如利用惰性进行激光切割，会使周 围空气中的氧气混入惰性气体中，这样切缝中的氧化物将增多，切割质量变差。 ： ( 3 ) 在喷嘴和工件表面之间的流场中将产生涡流n 2 m l m “，涡流旋转方向和 切缝中的熔化金属及碎屑排出的方向相反，使得熔化金属及碎屑排出变得困难， 如图卜4 所示。同时涡流产生有利于等离子体的形成，吸收激光束的能量，切割效 率就会下降。并且等离子体存在会使激光束发生散焦，激光束的模式也可能会发 生变化，从而使切割质量变差。 图1 - 4 切割时产生涡流示意图 ( 4 ) 会导致波纹频率在切缝的上下部分不一样。切缝上部波纹频率 高，切割质量好。切缝下部波纹频率低，切割质量差。研究发现波纹频率和气流压 力有关。气流压力越大，波纹频率越高，且在模拟切缝前沿存在激波和气流分离 现象2 5 九3 删5 ”。由于在激波的下部气压比切缝下边缘周围大气压力要小，这样 会使熔化金属和熔渣发生回流，导致激光切割质量变差，切割速度下降。 9 江苏大学硕士学位论文 ( 5 ) 激光切割过程中，激光束要穿过喷嘴产生的气体流场。在激波处气流的 密度会发生突变，激光的折射率就会发生变化，引起折射路径的变化和聚焦光束 的偏斜、反射、散射和散焦从而导致焦点位置发生变化，如图卜5d 2 2 1 3 1 3 2 3 ，对 切割速度、切割精度和切缝宽度产生很大影响。 工件表面 密度梯度 图卜5 激波存在时激光束焦点位置变化示意图 由上可以看出，喷嘴及气流流场对激光切割的其他影响因素产生非常重要 的影响，因此尽管激光熔化切割的切割质量由许多复杂的因素决定，但是喷嘴及 其气体射流的动力学特性是其中一个特别重要的影响因素，喷嘴射流流场特性的 好坏除本身对激光切割产生直接的影响外，还改变着激光切割的其他影响因素。 1 4 喷嘴及气流控制技术的研究现状 为了激光切割的需要，人们发明了各种形状的激光切割喷嘴，早期使用的传 统型喷嘴n 3 3 卸锄啪1 有平行形、锥形、会聚形、平顶形等，在传统型喷嘴基础 上人们进行了改进的喷嘴有附壁形n 7 m 羽和非圆形3 “、简易折线形超音速喷嘴 叫1 2 9 1 删以及不共腔喷嘴等。这类喷嘴一般主要靠经验设计，不进行专门的分 析。 随着人们对激光切割厚度、速度、质量、加工成本以及三维切割等要求的不 断提高，以上的这些喷嘴不能满足激光切割日益发展的需要，人们根据激光切割 的理论模型，用不同方法力求设计出更加符合激光切割特殊要求的喷嘴，并用不 同的方法观察分析其流场。 江苏大学硕士学位论文 对超音速喷嘴进行特征线法设计“m 叭枷，并根据激光切割实际情况的要求 减小喷嘴长度m 1 ，并研究设计参数对特征线法的影响3 ，部分采用特殊结构， 激光光束可以不改变路径1 。部分学者设计了非圆形出口喷嘴州m m 。这些学 者的设计较为复杂，使用起来有很多不便，有不少学者尝试使用新的简单方法设 计超音速喷嘴。杨丰羽等设计了折线型简易超音速喷嘴咖3 ；陈一坚“、h c m a n ， j d u a n ，t m y u e 等眦1 应用不同方法分段实际超音速喷嘴。 人们在研究喷嘴造型的同时也对其在自由空间的流场特性以及切割性能做 了很多研究。何枫叭m “、彭一川5 3 1 等研究了不同形状亚音速喷嘴的流场特性， 有平滑过度的喷嘴的射流特性要比线形变化较大的喷嘴的流场特性要好。 j f i e r e t o 等用纹银图和压力测定的方法研究了各种圆形和非圆形喷嘴的流场特 性，认为在较高压力时一些非圆形喷嘴的气体射流特性较为良好。陈一坚 1 ，h c m a n 2 2 m 4 “1 等分析了自由空间的亚音速和超音速喷嘴的射流流场特性。 对于激光切割喷嘴切割性能的研究主要通过纹影图和压力测定的方法来研 究不同工艺参数、不同喷嘴形状2 8 m 蚰对切缝中气体流场的影响厕2 田聃1 ，通过 研究可以发现在特定的条件下切缝底部出现回流以及气体和切割边界分离现象 m m “，喷嘴直径、工作间距、入口滞压、切缝宽度、切缝深度以及切缝前沿倾斜 角等都对切缝中的气体流场特性产生影响m ”。b a w a r d 2 3 1 等利用压力测量技 术研究气体射流中压力的变化，要在工件表面上取得最大的气体压力工艺参数有 个最佳值。 可以总结得到，以往对激光切割喷嘴射流在自由空间和切缝种的射流特征的 主要研究方法有：( 1 ) 纹影图实验法( 2 ) 压力测定法( 3 ) 编程进行计算机模拟。 实验研究方法能够得到最真实第一手资料，但是实验方法往往受到研究条件 的限制，耗费大量得物力人力，且容易受到各种因素的干扰，得到的结果不能理 想化而使得影响因素不能显现；计算机编程亦需要扎实的专业理论基础和一定的 计算基础，需要求解方程甚至非线性方程，往往无法得到其真解，对模型的不同 简化可能会导致计算结果的失真；c f d 软件均由专家编制，通过c f d 软件的 江苏大学硕士学位论文 确当设置和二次开发应用计算机多次迭代可以遇见结算结果最终将趋于真解。随 着计算机技术的发展，当前c f d 软件取得了空前的发展，应用c f d 软件进行计 算机模拟越来越多的成为一种趋势，c f d 软件在许多场合成为人们进行科学研 究的不可缺少的帮手。 1 5 本文的研究内容 由前面分析可以知道激光切割作为一种新兴的加工工艺具有许多优良的特 性，在工业领域中有着非常广泛的应用，但是激光切割中遇到的一些技术问题限 制了其进一步应用范围的进一步扩展，本文在总结前人的基础上根据空气动力学 理论设计一种新型超音速喷嘴，并用f l u e n t 软件对平行形、圆锥形、会聚形和超 音速射流在自由空间的流场进行了数值计算，用纹影图实验结果检验了数值计算 的正确性，在此基础之上对平行形、圆锥形、会聚形和超音速在自由空间射流速 度、压力分布、气体密度以及轴线上的速度和压力等情况进行了分析研究，最后 确定最适合激光切割的喷嘴，检验超音速喷嘴的设计效果。 江苏大学硕士学位论文 2 1 喷嘴类型 第二章喷嘴设计 为了获得较高的切割速度、较大的切割厚度和较好的切割质量要求喷嘴所产 生的流场在工件表面的切割压力尽可能的高且随喷嘴和工件表面之间距离的变 化波动要小，在流场中最好不存在激波或在供气压力很高时才产生，同时要求流 场的边界整洁，各种参数分布要均匀。为了获得更加有利于切割的流场人们发明 了各种形状的切割喷嘴： 2 1 1 传统型喷嘴 鼍寥 j 帑形：毫薯? 会聚形 渤，瞩 、，oq j 点。附壁移，。? 。 篝l 聱謇 = = - - 叫 。l o m m 。_ - ： ，非圆，l 图2 - 1 传统喷嘴示意图图2 屯改进型喷嘴示意图 这些喷嘴是早期利用来进行激光切割的喷嘴( 如图2 1 “朝2 们3 2 3 删所示) 。在 切割薄板时，它们基本上能满足工作要求。由于这些喷嘴形状简单，制造成本低， 目前仍有不少激光切割机使用这类喷嘴。但是在切割较厚的钢板时，为了提高切 割速度就要求增加喷嘴的供气压力。对于传统型喷嘴来说，起初随喷嘴供气压力 的提高，切割速度会增加，但随着供气压力的进一步提高，切割速度就不会继续 增加，切割质量反而会下降。主要原因是在供气压力p o 超过一定值后，喷嘴和工 件之间的流场中将产生激波，这在纹影图中可以清楚地看到。激波产生的危害在 江苏大学硕士学位论文 上一节中已说明这里不再赘述。通过流场纹影分析和压力传感器的测量均可以证 实激波存在，切割压力会随喷嘴和工件表面之间距离的变化而发生激波，而且供 气压力越高，切割压力下降得越明显“”。由于在传统型喷嘴产生的流场中，工件 表面的切割压力只有在喷嘴和工件表面之间距离很近时才有较大值，在这种情况 下喷嘴和光学元器件容易受到金属飞溅物的损坏；当被切钢板有变形时，由于喷 嘴和工件距离很近，喷嘴和工件就有可能会相互划擦，使喷嘴和被切工件都受到 损坏；切割时操作起来也困难。传统型喷嘴尤其不适用于三维激光切割。 2 1 ，2 改进型喷嘴 ( 1 ) 附壁形喷嘴( c o a n d a n o z z l e ) 、非圆形喷嘴( n o n c i r c u l a rn o z z l e ) 如图2 2 m 1 所示，设计这两种喷嘴的理论依据是激波产生的条件：因为p o p a 1 _ 8 9 时，产生激波，如果增加中心气流的周围压力p a ( 这两种喷嘴均使用 双气流) ，那么产生激波的p o 值就应增加。从而使得这两种喷嘴在较大供气压力 下工作时仍不会产生激波。如附壁型喷嘴中心气流供气压力为7 0 0 k p a ，外部环形 气流供气压力为3 5 0 k p a 时，在距喷嘴4 5 衄远的工件表面上切割压力值仍可达到 5 0 0 k p a 。这种喷嘴的另外一个优点是有外层气流存在，可以防止外面空气的卷入， 这样就提高了中心气流的纯度。因此这种喷嘴不但可以提高切割速度还可以提高 切割质量。但是，当供气压力过高时，也会产生激波，气流的紊流度也较大，切 割压力随喷嘴和工件的距离变化也会有较大的变化。因此这种喷嘴也不是很理 想。 非圆形喷嘴”1 的设计目的是为了破坏正激波的形成。这种喷嘴在较高的供 气压力下( 5 0 0 6 0 0 k p a ) 仍不会产生正激波。当然压力再增加时也会产生正激 波。 这两种喷嘴的形状均很复杂，加工比较困难，同时耗气量也大。气流特性又 不是很好，在较大的供气压力下仍会产生激波，气流的紊流度较大，切割压力随 喷嘴和工件之间的距离变化时，波动较大。虽然这两种喷嘴比传统会聚型喷嘴的 气流特性有所提高，但也不是很理想。 ( 2 ) 超音速拉瓦尔喷嘴2 1 瑚1 删 江苏大学硕士学位论文 图2 - 3 简易l a v a l 喷嘴示意图 有人利用产生超音速气流的原理，设计了很粗略的超音速喷嘴( 如图2 3 所 示) ，由于这里喷嘴内腔形状是折线而不是流线，所以这种喷嘴产生的流场特性 也不好，紊流度较大，对激光切割工艺有不良影响。 ( 3 ) 不共腔喷嘴“ 为了消除切缝前沿的激波，以便提高激光切割速度和切割质量，有人把喷嘴 轴线和激光束轴线成一定角度。经研究，喷嘴轴线和激光束轴线成3 5 。4 0 。 时，切割速度最大。并且在切缝前沿不产生激波，切割质量大为改善。由于激光 束和喷嘴不共腔，使得供气压力可以不受聚焦透镜承受压力的限制。同时也不存 在激光束和喷嘴壁相互干扰的情况。利用不共轴喷嘴进行激光切割可以提高切割 速度和切割质量，但是利用不共轴喷嘴进行切割时，喷嘴轴线和激光束的相对位 置很难保正，非直线切割时，随动保持喷嘴和激光束的相对位置非常困难。所以 这种喷嘴在非直线切割中很少用到。， 2 _ 2 喷管中产生超音速气流的空气动力学原理 醚。- ，_ _ ri 匕兰 图2 4 缩放喷管示意图 喷管是一种工质在其内压力降低而速度增加的特殊管道，其原理在工业上应 用较为广泛，如在燃气轮和气轮机里，利用工质流经喷管获得高速，然后利用高 速气流的动能推动叶轮做功。此外工业上常用的喷射式抽气机、汽油机的化油器、 蒸汽引射器以及航空方面的的喷气式推进机等也都应用了喷管原理。 江苏大学硕士学位论文 2 2 1 一元稳定流动的连续性方程 所谓一元流动，是指流动的一切参数仅在一个方向上有明显变化，而在其 他两个方向上没有变化。稳定流动是指在喷管每个截面上工质的一切参数( p 、v 以及速度c 等) 均各自不随时间而改变。 根据质量守恒原理，若保持稳定流动，则工质在单位时间内流经喷管任何截 面的质量流量均保持相等，即 码：m 2 ：鱼：丝： ( 2 1 ) m 。：坐：常量 ( 2 - 2 ) 式中：m 。、m 2 一截面1 、2 的质量流量，k g s ；4 、4 一截面1 、2 的面积，m 2 c 、c 2 一截面l 、2 处工质的速度，m s ；v 1 、v 2 一截面1 、2 的工质的比容，m 3 k g 。 将上式写成微分形式，得 咖= d ( 等) = 。 s ， 或 生+ 一d a d vo(2-4) 该连续性方程揭示了截面变化和比容变化、流速变化之间的制约关系。对 于不可压缩的流体如水，可以认为体积v 为常量，即d v = o 。因而，当流速增大 时总是要求喷管截面收缩，而当流速减小时要求喷管截面扩张。然而对于可压 缩气体或者蒸汽，喷管截面变化规律不仅仅取决于流速的变化，而且还与工质 的比容变化有关。 2 2 2 过程方程6 由于工质流经喷管的时间很短，且速度很高，可以忽略工质与外界的热量传 递，即曲= 0 ，作为绝热流动看待。如果再忽略摩擦扰动的影响，可以近似认为 流动过程是可逆的，其状态参数的变化规律将遵循绝热过程方程，即： p v = 常量( 2 5 ) 1 6 江苏大学硕士学位论文 写成微分形式 尘- 1 - 尘：0 p v 2 2 3 稳定流动方程 ( 2 - 6 ) 工质在喷管中流动时必然遵守能量方程。由于工质在喷管中流动，对外不做 功，j = 0 ；其位能变化可以忽略；工质与外界没有热量交换，却= 0 。因此， 其稳定流动能量方程可以简化为： 去( 一彳) = 啊一如 ( 2 7 ) 或者 三d e 2 = 一d h( 2 8 ) 2 不管工质的流动过程可逆与否，该能量方程是普遍适用的。如果是可逆过程， 那么按热力学第二定律表达式却= d h 一叻，可得 昙如2 _ 一砌：一、印 2 1 式中h 为气体的焓。 ( 2 - 9 ) 从上式可以看出：气体在喷管中的流速的增大，是由于流动过程中气体压力 下降的结果。反之，如果气体压力在流道中降速，则压力必然增大，这种流道称 之为扩压管。 、 2 2 4 气流参数变化与管道面积变化的关系嘲m 3 气流在管道中流动时的状态变化情况和管道截面面积的变化情况有密切关 系。为使得气流能过到达预期的流速和压力变化，就必然要设计符合气流截面变 化的管道。 利用上述绝热流动的三个基本关系式，可得气流流速变化、状态参数变化与 截面面积变化的关系： 盟：m2，一dc(2-10) 鲁= ( 蟛一) 譬( 2 - 1 1 ) 式中，心= 昙为马赫数，而口= 而称为音速。当心 l 时，即气体速度大于当地音速，成为超音速流动。 对喷管而言，为达到膨胀增速( 印 0 ，d c 0 ) ，当坂 1 ( 亚音 速流动) 时，d v 立，则粤 0 ，流道截面应该是渐扩的，称。 vc以 之为渐扩喷管。 欲使气流在喷管中自亚音速连续增加至超音速，流道截面应该是由渐缩的截 面延伸为渐扩的截面，称之为缩放喷管，或称之为拉伐尔喷管，如图2 4 所示。 其中收缩部分在亚音速范围内工作。在截面缩放喷管最小截面( 也称为喉部) ， 流速正好达到当地音速。此处气流处于从亚音速转变为超音速的转折点，其各种 参数成为临界值，相应的有临界压力、临界速度等。显然临界速度正好等于当地 音速，( 即c = 口) 。 2 3 超音速喷嘴的设计方法 当假设气体是没有粘性压力并且气体压力p 、流动速度c 、温度t 以及气体 密度p 的横向变化量是可以忽略的理想气体时，一元稳定气体动力学理论才能够 应用于小扩张角少弯曲的短管中。理想气体的物理参数在每一个横截面是不变和 一致的，理想气体的流动是没有能量损失和热交换的等熵绝热过程。 激光切割超音速喷嘴总的来说是小扩张角少弯曲的短管道。在喷嘴管道中气 体流动速度太快来不及发生热量交换因而这一气体的流动过程可以看成是绝热 过程。另一方面，边界层的发展对流场的影响微乎其微，因为无论边界层速度被 摩擦力减少多少，迟滞层在压力梯度最小方向上的膨胀是没有困难的，所以摩擦 力的影响大致上是可以忽略不计的。这样，激光切割喷嘴重的气体流动可以被看 成一元稳定流动。“，元稳定气体动力学方程可以用于超音速喷嘴的设计。 根据缩放喷管理论超音速喷嘴必须是先收缩后发散型喷管，由三个部分组 成：收缩段( 亚音速) 、喉部( 临界速度) 和扩散区( 超音速) 。然而，在实际超 音速喷嘴中为了降低紊流度在收缩段之前有一段稳定段。因此，超音速喷嘴包括 四部分：稳定段、收缩段、喉部及超音速扩张段，如图2 - 5 所示。 江苏大学硕士学位论文 为了使出口具有喷射具有大的动量、好的均匀度、整洁的边界以及小紊流度 低能量损耗，超音速喷嘴的每一部分必须严格以空气动力学为基础正确设计计 算。设计方法如下： p 0 a 0 2 3 1 稳定段1 2 m 埘1 图2 - 5 超音速喷嘴示意图 a 1 p 1 稳定段的功能是使从气罐中进入的气体较为均匀，具有低的紊流度，且使稳 定段每一点的速度接近平行于轴线而没有横向分速度。收缩段的设计以均匀来流 为前提，如果来流不均匀则收缩段出口的气流也不如匀，因此需要加上一段稳定 段伎气流均匀。稳定段通常是一个等截面管道，下游和亚音速收缩段相连。稳定 段对气流的影响是由于它