激光切割機(jī)中激光噴嘴設(shè)計(jì)研究

王鵬飛，周 廣

（山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院，淄博 256414）

0 引言

噴嘴是激光經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)傳輸聚焦后最后射入工件前的關(guān)鍵部件，也是影響切割加工質(zhì)量的重要部件。為進(jìn)一步研究本系列金屬切割機(jī)型，提高其切割質(zhì)量，必須對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究[1,2]。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)噴嘴結(jié)構(gòu)的氣流分析，指出了大功率金屬熔融切割時(shí)其對(duì)聚焦光束的不利影響以及去除熔渣的動(dòng)力喪失等影響，并據(jù)此提出超音速拉法爾噴嘴的設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用。

1 噴嘴對(duì)切割質(zhì)量的影響

噴嘴的主要作用有：l）為形成光路系統(tǒng)最終聚焦的聚焦鏡提供容納腔。2）提供切割過(guò)程中的所需要的輔助氣體。3）具有可變調(diào)焦設(shè)計(jì)(如F軸設(shè)計(jì))的激光噴嘴，可以在激光切割過(guò)程中起到自動(dòng)調(diào)節(jié)聚焦距離的功能。

影響切割質(zhì)量的因素很多[3]，如激光光束質(zhì)量、數(shù)控機(jī)床的精度和運(yùn)行速度、重復(fù)精度以及導(dǎo)光系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等。在諸多因素中，噴嘴的結(jié)構(gòu)形式、其輔助氣體的種類(lèi)、壓力、速度對(duì)于切割質(zhì)量具有非常重要的影響。同時(shí)，對(duì)于整個(gè)切割過(guò)程來(lái)說(shuō)，加工工件的厚度、材料類(lèi)型也需要與激光噴嘴提供的輔助氣體類(lèi)型、壓力、速度形成一個(gè)良好(或最佳)的工藝匹配。目前，對(duì)激光加工工藝的研究是當(dāng)前激光研究中的重點(diǎn)內(nèi)容，噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是其重要的一個(gè)方面。噴嘴直徑的大小，實(shí)踐證明具有一定影響，這是因?yàn)槌隹谔帤饬餍螤钜约皦毫Ψ植记闆r是由噴嘴大小所決定的，效率最高的情況經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，最佳直徑在1.5mm左右。

另外，當(dāng)噴嘴口與聚焦光束不同軸，這樣對(duì)于同軸噴嘴存在一定范圍的偏差，輔助氣體與光束不同軸就會(huì)出現(xiàn)，這樣由于吹氣的偏斜而影響到的切縫的一側(cè)過(guò)燒或不光滑就不可避免，造成切縫過(guò)寬，從而影響到噴嘴的損壞，使得切割無(wú)法有效進(jìn)行。所以，對(duì)于同軸噴嘴來(lái)說(shuō)，應(yīng)該要求X、Y兩個(gè)方位平移調(diào)整噴嘴，同時(shí)，為了保證進(jìn)行穩(wěn)定，還應(yīng)該設(shè)置緊鎖裝置。氣流特性、加工工藝的匹配對(duì)于非同軸噴嘴則更為復(fù)雜。

2 噴嘴結(jié)構(gòu)及氣流分析

2.1 噴嘴基本結(jié)構(gòu)

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(zhì)量，各種形式對(duì)此又各具影響。圖1(a)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工、成本低，但氣流流俗和效率較差。圖1(b)型為拉伐爾噴嘴，它可獲得較高的流速和較好的氣流形狀但加工困難，廢品率高。圖1(c)型是噴嘴的常見(jiàn)形式，其氣流效率不如拉法爾噴嘴，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。

圖1 噴嘴三種形式

上述噴嘴在加入輔助氣體時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)有所改變。在實(shí)際加工中，噴嘴的主要剖面結(jié)構(gòu)，也主要是存在平行、錐形和弧形。

2.2 常用噴嘴氣流分析

當(dāng)噴入氣體壓力大于2倍的環(huán)境壓力時(shí)，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(huì)形成高能量的激波，同時(shí)，噴射氣體撞擊到工件表面后會(huì)形成障礙逆流，在離工件固體表面的一定距離處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)停滯區(qū)域。這樣正常產(chǎn)生的激波稱(chēng)之為正激波(MSD)，它位于工件表面的的上方，它導(dǎo)致了氣流減速到一個(gè)亞音速值。由于正激波(MSD)不可避免的會(huì)導(dǎo)致氣體動(dòng)力性能的降低和嚴(yán)重影響切口內(nèi)部的空氣動(dòng)力性情況，所以，正激波的強(qiáng)度是非常重要的。通過(guò)正激波區(qū)域后進(jìn)入切口的噴射氣體是膨脹不足的，因此，在切口的上端會(huì)形成一個(gè)膨脹波的區(qū)域，而在外端，當(dāng)膨脹氣體作用到氣流邊界上則形成一個(gè)壓縮波，兩者的結(jié)合處，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)斜激波。

同時(shí)，氣體噴射入切口時(shí)途徑一個(gè)嚴(yán)格的密封區(qū)域，因而，大部分的氣流會(huì)從同軸改變成發(fā)散的氣流，切口內(nèi)部的氣體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)漸強(qiáng)的紊流，這將使切口內(nèi)部的氣體穩(wěn)定性大大降低。

由于斜激波會(huì)產(chǎn)生一個(gè)逆向的傾斜壓力，因此，切割前沿處斜激波的阻礙，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)分離的氣流邊界層。在分離點(diǎn)下的氣流會(huì)轉(zhuǎn)化成渦流和滑流，大大降低了氣流的動(dòng)力傳遞和去除熔渣材料的能力。相關(guān)的一些研究表明，切口內(nèi)的氣流參數(shù)以及分離邊界層，對(duì)于切口質(zhì)量有著深刻的影響。通過(guò)這些研究得出，提高會(huì)使噴入氣體阻塞的正激波(MSD)強(qiáng)度，增加工件的厚度，首先會(huì)不可避免加劇分離層的產(chǎn)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(nèi)的氣流激波模式反而變得更差。同樣分離點(diǎn)也會(huì)在切縫壁上，平行于切割方向，形成一個(gè)可見(jiàn)的邊界，這一邊界把切縫壁分成了兩個(gè)具有不同切割質(zhì)量的區(qū)域。

由于不一致的氣體流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生氣體密度的非均勻性，這種非均勻性會(huì)導(dǎo)致氣體的折射，上述的現(xiàn)象將嚴(yán)重影響、干涉激光的最終聚焦，產(chǎn)生第二聚焦點(diǎn)或使激光聚焦光束發(fā)散，這種氣體干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(dǎo)致較差的切割質(zhì)量和較低的切割速度。此外，激光噴嘴的底部和工件表面之間的距離也會(huì)在切割過(guò)程中變得非常敏感，容易偏離公差范圍。

3 超音速拉法爾噴嘴

3.1 拉法爾噴嘴設(shè)計(jì)

新型的超音速拉法爾噴嘴在空氣動(dòng)力學(xué)的原理指導(dǎo)下進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有很好的氣體動(dòng)態(tài)參數(shù)，噴出氣體的工況會(huì)得到極大的提高。尤其在正確設(shè)計(jì)的條件下，P0的潛能可以全部有效的轉(zhuǎn)化成氣流速度能量，所以噴出氣體的速度會(huì)超過(guò)音速且能隨著噴入氣體壓強(qiáng)P0的增加而增加，可以獲得更高的氣體動(dòng)力來(lái)提高去除熔渣的能力。這一因素將大大提高激光切割速度和減少熱影響區(qū)域。另一方面，超音速?lài)娮斓臍饬鬟吔缂?xì)長(zhǎng)清晰，非常適合精加工激光切割和切割厚材料。拉法爾能使供氣的滯壓(stagnation pressure)全部轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，這樣可以有效地把熔化的金屬及其夾渣物從切縫前沿吹走。對(duì)于新設(shè)計(jì)的噴嘴來(lái)說(shuō)，其產(chǎn)生的氣流具有邊界整齊，紊流度小，氣流均勻一致且不存在激波的特點(diǎn)，同時(shí)，環(huán)境壓力值與噴嘴出口的氣流壓力值相同。噴嘴內(nèi)腔的橫截面積先縮小后放大是為了滿(mǎn)足噴嘴出口的流速達(dá)到超音速(Ma>1)的要求。

在結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)的原理基礎(chǔ)上，同時(shí)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)中的氣流要均勻一致，紊流度小，流場(chǎng)中不存在激波的特點(diǎn)，這里采用較為簡(jiǎn)便的解析法設(shè)計(jì)，其中，穩(wěn)定段、收縮段、喉部和擴(kuò)張段是構(gòu)成超音速拉法爾噴嘴的四個(gè)部分，應(yīng)該注意在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該滿(mǎn)足激光束和噴嘴壁不相互干擾的原則。

其中，在分析各種噴管設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合激光器的光路系統(tǒng)安裝配合相關(guān)特點(diǎn)，對(duì)于圓弧型收縮段拉法爾噴嘴設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，如圖2所示為噴嘴上曲面曲線(xiàn)簡(jiǎn)圖，這里采用彎曲喉部并最大轉(zhuǎn)折角bB＝0.5v1。

圖2 拉法爾噴嘴曲線(xiàn)圖

從圖2中噴嘴上部曲線(xiàn)可以看出，BC在B點(diǎn)處有最大的斜率，此時(shí)的最大轉(zhuǎn)折角為bB。曲線(xiàn)在C點(diǎn)的斜率為0，這樣C點(diǎn)稱(chēng)為終止點(diǎn)，B點(diǎn)稱(chēng)為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。喉部的均勻音速流變成轉(zhuǎn)折點(diǎn)B處的泉流則是B點(diǎn)以前的曲線(xiàn)設(shè)計(jì)目的，對(duì)于B點(diǎn)以后段曲線(xiàn)來(lái)說(shuō)，起作用就是將泉流按照流動(dòng)規(guī)律轉(zhuǎn)換成滿(mǎn)足Mad要求的均勻平行流。考慮到收縮段曲線(xiàn)對(duì)出口氣簾的較小影響，為了方便計(jì)算，圓弧加直線(xiàn)組成B點(diǎn)以前的曲線(xiàn)。在圖中，可以使得圓弧與直線(xiàn)相切于P點(diǎn)，而心位于通過(guò)喉部的Y軸上。利用一段比較長(zhǎng)的直線(xiàn)使得喉部的平直音速流向泉流過(guò)渡，這樣有利于氣流轉(zhuǎn)變成泉流，同時(shí)按照泉流形式加速這就是圓弧的作用。為了滿(mǎn)足流動(dòng)充分接近真正的泉流，應(yīng)該使得直線(xiàn)段盡可能長(zhǎng)。在精確給定超音速泉流的基礎(chǔ)上，無(wú)限逼近精確B點(diǎn)后的曲線(xiàn)的設(shè)計(jì)，然后可以通過(guò)計(jì)算機(jī)程序來(lái)建立相關(guān)的B點(diǎn)以后的曲線(xiàn)。

對(duì)于初始膨脹段的AB段來(lái)說(shuō)，氣流進(jìn)入噴嘴經(jīng)壓縮段壓縮后，在喉部達(dá)到音速，在AB段作用下向外膨脹而加速，同時(shí)需要注意，從壁面到AB曲線(xiàn)逐漸向外偏，氣流方向在轉(zhuǎn)折點(diǎn)B處過(guò)渡成以超音速流動(dòng)的泉流。而此時(shí)在平行段的BC內(nèi)部，氣流繼續(xù)在平行段膨脹。考慮到向內(nèi)加速膨脹特點(diǎn)，同時(shí)要求BC曲線(xiàn)的斜率逐漸減小，到C斜率轉(zhuǎn)變?yōu)?。當(dāng)氣流到達(dá)EC線(xiàn)時(shí)，氣流完成了膨脹加速。管口區(qū)Mad對(duì)應(yīng)的馬赫角為pl，直線(xiàn)EC同軸線(xiàn)的夾角等于μ1，與軸線(xiàn)平行方向，達(dá)到所要求Mad。

3.2 拉法爾噴嘴的實(shí)際應(yīng)用分析

基于上述方法設(shè)計(jì)的拉法爾噴嘴，在模型試驗(yàn)時(shí)，噴嘴內(nèi)部的氣流與噴嘴壁摩擦假定為一維摩擦，因此，由于摩擦存在的氣流動(dòng)力損失可以以一個(gè)簡(jiǎn)單計(jì)算方式來(lái)評(píng)定。該噴嘴的氣流出口直徑為1.7mm，當(dāng)然，這種簡(jiǎn)單的假定粘性摩擦形式和一維流體模式以及微機(jī)械精度偏差并不意味結(jié)果完全精確。因此，我們進(jìn)行了多次噴入不同的壓力氣體的實(shí)驗(yàn)，分別檢測(cè)了相應(yīng)工況下拉法爾噴嘴出口氣體的靜態(tài)壓力，選擇了一種最接近環(huán)境壓力的工況模式。在這種方式下得到的噴入氣體的壓力值為8bar，與設(shè)計(jì)方法中的理論計(jì)算值相比，幾乎沒(méi)有差異。

結(jié)合上述正確的理論設(shè)計(jì)、計(jì)算方式及實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，我們實(shí)現(xiàn)了拉法爾噴嘴的實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用。對(duì)于噴出氣體，也作了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。這些試驗(yàn)也用于確定噴出氣流的超音速值范圍，命名為超音速距離。噴出的超音速氣流會(huì)與周?chē)h(huán)境氣流形成一個(gè)圓柱形氣流邊界層，在邊界層上產(chǎn)生氣流摩擦，因此，噴出氣體會(huì)存在一個(gè)從軸向中間開(kāi)始向兩邊邊界層逐漸遞減的氣流速度，噴出氣體以軸心為最強(qiáng)速度穿透射入空氣中，伴隨著氣體摩擦逐漸減弱，從超音速進(jìn)入亞音速值?？拷吔鐚拥膰姵鰵饬飨冗M(jìn)入亞音速值，軸向中間的進(jìn)入最晚。所以，噴出氣流基本上經(jīng)歷三個(gè)階段，先是全部氣流均為超音速，而后氣流速度沿邊界層開(kāi)始向軸心漸漸進(jìn)入亞音速，此過(guò)程也將產(chǎn)生一定的紊流，成為氣體速度的混合區(qū)域，而后氣流全部為一亞音速值。因此，從噴嘴處到中間軸向氣流降低開(kāi)始進(jìn)入亞音速值，我們稱(chēng)這一段距離為超音速距離。

4 結(jié)束語(yǔ)

激光切割是激光加工中應(yīng)用最廣泛的一種加工方法，它是非接觸光學(xué)熱加工，激光光斑非常小，能量高度集中，故其與傳統(tǒng)的切割加工方法相比，具有以十分明顯優(yōu)勢(shì)。本文分析噴嘴的氣流特性、拉法爾噴嘴設(shè)計(jì)方法，對(duì)于今后激光切割區(qū)發(fā)展具有一定幫助。

[1] 阮鴻雁, 呂建軍, 楊波, 等. 激光切割超音速?lài)娮斓牧鲌?chǎng)特性[J]. 中國(guó)激光, 2009, 36(5).

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