激光切割喷嘴工作原理.docx

激光切割喷嘴工作原理前言激光切割作为一种新兴的加工方法，具有很多优点：如可加工的材料范围广，韧性材料和脆性材料均可用激光切割; 切缝窄（0.1 mm1.0 mm ; 切割速度高; 被切工件热损伤小等。在国外，对激光切割工艺进行了大量的研究，然而在国内却处于起步阶段，因而有必要深入了解国外在这方面所作的研究。影响激光切割效率的关键因素之一就是激光切割头中喷嘴的形状及其产生的流场的特征。为了提高切割效率和质量必须精确设计喷嘴的形状，并对其产生的流场进行深入的研究。随着高功率的CO2激光器的研制成功，使得高速切割厚板成为可能，研究表明1，要提高切割速度，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，但是传统喷嘴在提高供气压力时会产生激波。由于激波的存在，提高供气压力不但不能提高切割速度，反而会使切割工艺产生许多不良影响，所以必须对喷嘴进行精确的设计才能满足切割厚板和三维切割的要求。目前对流场分析一般采用拍摄纹影图的方法，利用压力传感器测量流场中的压力和有限元的方法对流场进行计算机模拟。在国外一般利用现成的软件工具包PHOENICS 1.4对流场进行模拟24效果比较理想，但是该软件价格昂贵且国内不易获得，因此需工程技术人员自己编程对流场进行模拟。2流场中激波产生的条件及对切割工艺的不良影响2.1激波产生的条件5任何喷嘴，如果喷出的气流压力Pn和周围环境的压力Pa之比Pn/Pa89（对于双原子分子而言）时，那么喷嘴喷出的气流就是未充分膨胀的超音速气流，且气流中产生激波。气流突然膨胀形成激波。激波可分为正激波（MSD）和斜激波（Oblique Shock）,流场中存在正激波时对切割工艺的影响更大。2.2激波存在的危害(1)激光切割过程中，激光束要穿过喷嘴产生的气体流场。众所周知激光的折射率和气流的密度有关,在流场中产生激波时，在激波处气流的密度会发生突变，这样激光的折射率就会发生变化，从而导致焦点位置发生变化。焦点位置发生变化，那么切割速度和切缝宽度均会受到很大影响。(2)激光切割过程中为了提高切割速度，使切割性能更稳定，要求工件表面的切割压力值要大，且随喷嘴和工件表面之间距离的变化比较稳定。然而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5（如图1所示），同时切割压力值比供气压力值少得多。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。(3)如果喷嘴和工件表面之间存在正激波，在喷嘴和工件表面之间的流场中将产生涡流4，5（如图2所示） ，由于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。 同时涡流产生有利于等离子体的形成， 等离子体会吸收激光束的能量，这样工件吸收的能量就要减少，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6（如图3所示）， 从而使切割质量变差。图1切割压力随喷嘴和工件表面距离的变化示意图图2存在正激波时流场中产生涡流示意图M马赫数。图3焦点位置变化示意图(4)如果喷嘴和工件表面之间存在激波 ,那么流场的紊流度增加。在有些情况下，如利用氮气进行激光切割，会使周围空气中的氧气混入氮气中，这样切缝中的氧化物将增多，切割质量变差。(5)在分析切缝表面的波纹（ripple）时，会发现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1。气流压力越大，波纹频率越高。通过拍摄模拟切缝的纹影图7或流场模拟24，均可发现在模拟切缝前沿存在激波和气流分离现象。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。3各种喷嘴优缺点的比较为了获得较高的激光切割速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较小。在流场中最好不产生激波或在供气压力很高时才产生，同时流场的紊流度要小。3.1传统型喷嘴这些喷嘴是早期利用来进行激光切割的喷嘴（如图4所示）。在二维薄板切割时，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，相反切割质量反而下降。主要原因是在供气压力P0超过一定值后（如锥形喷嘴P0360 kPa时）喷嘴和工件之间将产生激波，这在纹影图中可以清楚地看到。通过流场模拟和压力传感器的测量可以证实激波存在时，切割压力会随喷嘴和工件表面之间距离的变化而发生波动，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，但在这种情况下喷嘴容易受到损坏，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。图4传统型喷嘴示意图3.2新型喷嘴(1)附壁型喷嘴（Coanda Nozzle）、非圆形喷嘴（Non-circular Nozzle）（如图5所示）5,8。设计这两种喷嘴的理论依据是激波产生的条件：如果增加中心气流的环境压力Pa（这两种喷嘴均使用双气流），因为Pn Pa89，那么产生激波的Pn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700 kPa，外部环形气流供气压力为350 kPa时，在距喷嘴4 mm5 mm远的工件表面上形成500 kPa的切割压力。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提高切割质量。图5附壁型喷嘴、非圆型喷嘴示意图对于附壁型喷嘴，内外喷嘴的出口直径比d/D和内喷嘴的倾斜角度对工件表面的切割压力有明显影响。经研究表明，d/D和值较大时，工件表面的切割压力Pjc也较大8。非圆形喷嘴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（500 kPa600 kPa）仍不会产生正激波。这两种喷嘴的形状均很复杂，制作比较困难，同时耗气量也大。(2)超音速拉瓦尔喷嘴（Laval Nozzle）如图6(a)所示6。根据公式：（M21）dv/v = dA/A其中： M为马赫数；v为空气流速；A为喷嘴截面积。可以推出仅通过减小喷嘴内腔面积不能把亚音速气流加速到超音速。为了使气流在喷嘴里面就达到超音速，喷嘴内腔面积必须先收缩然后放大，这就是超音速拉瓦尔喷嘴的设计思想。 同时为了使喷嘴喷出的气流不产生激波，超音速拉瓦尔喷嘴可以设计成喷嘴出口的气流压力和环境压力相同。利用比较简便的解析法6设计拉瓦尔喷嘴可以使喷嘴出口的气流流速均匀，边界整齐，紊流度小，且不存在激波，同时工件表面的切割压力和喷嘴的供气压力相近且达到较大值。当喷嘴和工件表面之间距离发生变化时，切割压力变化很小，设计出口马赫数M=2的拉瓦尔喷嘴，P0=1+（K 1）2M2）K/（K1）Pa=793 kPa（其中K为气体常数，气体为双原子分子时K=1.4），这说明了拉瓦尔喷嘴供气压力可以很大但不产生激波。超音速拉瓦尔喷嘴气流速度很大可以把切缝中的熔化金属快速吹走，提高了切割速度。利用超音速拉瓦尔喷嘴进行激光切割时,切割质量也很理想，由于超音速拉瓦尔喷嘴产生的流场在工件表面的切割压力比较稳定，因此特别适用于三维切割。由于超音速拉瓦尔喷嘴形状复杂，同时内腔尺寸小（喉部直径=5 mm左右）使得加工该喷嘴十分困难。为了易于加工,不少人利用简化的拉瓦尔喷嘴2如图6(b)所示。但由于内腔轮廓和流场的流线不相符使得气流的紊流度增加，对激光切割工艺有一定影响。图6超音速拉瓦尔喷嘴示意图3.3不共轴喷嘴7为了消除切缝中的激波，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7，喷嘴轴线和激光束轴线成3540时，切割速度最大，并且在切缝前沿不产生激波，使切割质量大为改善。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的承受压力的限制，并且这类喷嘴可用耐热硼硅酸玻璃细管加热拉拔而成7，制造成本可大为降低，但这类喷嘴在安装定位时比较困难。4结语激光切割工艺要求喷嘴产生的流场流速要均匀，气流紊流度要小，流场中不产生激波，工件表面的切割压力要比较稳定且其值要大。在切割薄板或对切割质量要求不严格时可采用传统型喷嘴，而在切割厚板时可采用新型喷嘴。在进行三维切割时应优先考虑采用超音速拉瓦尔喷嘴。*本研究得到国家自然科学基金重点项目59 635 170资助陈一坚,1973年出生,硕士研究生,主要从事焊接和激光加工技术方面的研究工作作者单位：(华中理工大学材料科学与工程系武汉430074)参考文献1Makashev N K,Asmolov E S.Gas-hydro-dynamics of CW laser cutting of metals in inert gas.SPIE,1993;2 257:292Doris Leidinger,Dieter Schuocker.Investigations on the gas flow of conic-cylindrical and supersonic nozzles in a laser cut kerf.SPIE,1995;2 502:5775823Sipavichyus ch,Vaitiekunas P,Milutis E. On determination of critical characteristics of gas jet under finishing laser cutting.SPIE,1996;2 713:2592664Leidinger D,Penz A.Nozzle design and simulation of gas flow for the laser cutting process.SPIE,1994;2 207:4694795Fieret J,Terry M J,Ward B A.Overview of flow dynamics in gas-assisted laser cutting.SPIE,High Power Laser,1987;801:2432506Man,Duan H C J,Yue T M.Design and characteristic analysis of supersonic nozzle for high gas pressure laser cutting.Journal of Materials Processing Technology,1997;63:2172227Brandt Aaron d,Scroggs Steven d.Effect of nozzle orientation on the gas dynamics of inert-gas laser cutting of