Projekt dyszy maszyny do cięcia laserowego

Konstrukcja dyszy i technologia sterowania przepływem powietrza: Podczas cięcia laserowego stali, tlen i skupiona wiązka lasera są wystrzeliwane przez dyszę do materiału, który ma być cięty, tworząc w ten sposób wiązkę przepływu powietrza. Podstawowym wymogiem przepływu powietrza jest to, aby przepływ gazu do nacięcia był duży, a prędkość wysoka, tak aby wystarczające utlenienie mogło spowodować w pełni egzotermiczną reakcję materiału nacięcia; Jednocześnie istnieje wystarczający pęd, aby wydmuchać stopiony materiał. Dlatego oprócz jakości wiązki i jej kontroli, które bezpośrednio wpływają na jakość cięcia, konstrukcja dyszy i kontrola przepływu powietrza (takie jak ciśnienie dyszy, położenie przedmiotu obrabianego w przepływie powietrza itp.) są również bardzo ważnymi czynnikami.
Dysza używana do cięcia laserowego przyjmuje prostą strukturę, to znaczy stożkowy otwór z małym okrągłym otworem na końcu (rysunek 4). Zazwyczaj jest projektowana eksperymentalnie i na podstawie błędów. Ponieważ dysza jest zazwyczaj wykonana z miedzi, o małych rozmiarach, jest wrażliwą częścią i wymaga częstej wymiany, więc obliczenia i analiza dynamiki płynów nie są przeprowadzane. Podczas użytkowania z boku dyszy przez gaz o pewnym ciśnieniu Pn (ciśnienie manometryczne Pg), zwany ciśnieniem dyszy, od wylotu dyszy, po pewnej odległości do powierzchni przedmiotu obrabianego, ciśnienie jest nazywane ciśnieniem cięcia Pc, a na końcu rozprężaniem gazu do ciśnienia atmosferycznego Pa. Prace badawcze pokazują, że wraz ze wzrostem Pn, prędkość przepływu powietrza wzrasta, a Pc również wzrasta.
Można to obliczyć za pomocą następującego wzoru: V=8.2d2(Pg+1)
V- Przepływ gazu l/min
d- średnica dyszy mm
Pg- Ciśnienie dyszy (ciśnienie manometryczne) bar
Istnieją różne progi ciśnienia dla różnych gazów, gdy ciśnienie dyszy przekracza tę wartość, przepływ gazu jest normalną skośną falą uderzeniową, a natężenie przepływu gazu przechodzi z poddźwiękowego na naddźwiękowe. Próg ten jest związany ze stosunkiem Pn i Pa oraz stopniem swobody (n) cząsteczek gazu: na przykład n=5 tlenu i powietrza, więc jego próg Pn=1bar×(1,2)3.5=1.89bar. Gdy ciśnienie dyszy jest wyższe Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2 (Pn; 4bar), normalna nachylona fala uderzeniowa przepływu powietrza staje się dodatnią falą uderzeniową, ciśnienie cięcia Pc maleje, prędkość przepływu powietrza maleje, a na powierzchni przedmiotu obrabianego powstaje prąd wirowy, który osłabia efekt przepływu powietrza usuwającego stopiony materiał i wpływa na prędkość cięcia. Dlatego stosuje się dyszę z otworem stożkowym zakończonym małym okrągłym otworem, a ciśnienie tlenu w dyszy jest często niższe niż 3 bary.
Aby jeszcze bardziej zwiększyć prędkość cięcia laserowego, dysza typu skalowego, dysza Lavala, może zostać zaprojektowana i wyprodukowana zgodnie z zasadą aerodynamiki, bez wytwarzania dodatniej fali uderzeniowej pod warunkiem zwiększenia ciśnienia dyszy. Struktura pokazana na rysunku 4 może być wykorzystana dla wygody produkcji. Centrum Laserowe Uniwersytetu w Hanowerze w Niemczech użyło lasera 500WCO2 o ogniskowej soczewki 2,5 cala i przeprowadziło testy odpowiednio z dyszą otworkową i dyszą Lavala, jak pokazano na rysunku 4. Wyniki testów pokazano na rysunku 5, który odpowiednio przedstawia zależność funkcjonalną między chropowatością powierzchni nacięcia Rz a prędkością cięcia Vc dysz NO2, NO4 i NO5 przy różnym ciśnieniu tlenu. Na rysunku widać, że prędkość cięcia dyszy NO2 o małych otworach może osiągnąć tylko 2,75 m/min, gdy Pn wynosi 400 kPa (lub 4 bary) (grubość blachy ze stali węglowej wynosi 2 mm). Prędkość cięcia dysz Lavala NO4 i NO5 może osiągnąć 3,5 m/min i 5,5 m/min, gdy Pn wynosi od 500 kPa do 600 kPa. Należy zauważyć, że ciśnienie cięcia Pc jest funkcją odległości między przedmiotem obrabianym a dyszą. Ponieważ ukośna fala uderzeniowa odbija się wiele razy na granicy przepływu gazu ciśnienie cięcia zmienia się okresowo.
Pierwszy obszar wysokiego ciśnienia cięcia znajduje się blisko wylotu dyszy, odległość między powierzchnią przedmiotu obrabianego a wylotem dyszy wynosi około 0.5~1.5mm, a ciśnienie cięcia Pc jest duże i stabilne, co jest parametrem procesu powszechnie stosowanym w produkcji przemysłowej. Drugi najwyższy obszar ciśnienia cięcia znajduje się około 3~3.5mm od wylotu dyszy, a ciśnienie cięcia Pc jest również duże, co również może dać dobre rezultaty i sprzyja ochronie soczewki i wydłużeniu jej żywotności. Inne obszary wysokiego ciśnienia cięcia na krzywej nie mogą być używane, ponieważ są zbyt daleko od wylotu dyszy, aby dopasować się do skupionej wiązki.