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喷嘴参数对激光切割工艺的影响

发布时间:2017/9/5     信息来源:   作者:激光切割机    0

激光切割加工是利用能量密度高度集中的激光束相对于工件之间进行运动完成切割任务的。在切割过程中,常常利用外加的辅助气体,来改善加工条件。采用辅助氧气能够促使金属表面氧化,提高切割效率;通过增加吹氧压力还可以使切缝减小,并防止熔化材料再黏结。切割易燃材料时,可采用惰性气体,能有效防止材料燃烧。在一定压力范围内,增加辅助气体的压力,可增大切割厚度,提高切割效率。外加辅助气体在喷嘴外的速度与压力对切割过程有一定的影响,它的运动情况是影响激光切割质量的重要因素,使用何种喷嘴参数有利于切割加工是需要研究的问题。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。

下面就以一种喷嘴的参数变化,利用fluent模拟来观察其对激光切割加工的影响为方便研究,采用一种简易喷嘴,主要包括两部分,即前端的收缩段和后部的稳定段,其主要参数有收缩的锥角α以及稳定段的长度l为了研究喷嘴各个结构参数对气体流场的影响,本文在相同的初始条件下,即进口总压为0.6 MPa的情况下,通过改变某一结构参数即收缩角和稳定段长度来进行模通过对以上的模拟结果进行分析,可以得出以下几点:

(1)在总压为0.6 MPa时,第1种情况下锥形喷嘴的气体出口压力为0.2 MPa,由于在出口处的压力高于环境压力,所以气体继续膨胀,在距出口约2 mm处,压力迅速衰减至0.09 MPa,即最低点,最后压力趋于稳定至环境压力;

(2)在同样情况下,气体继续膨胀以后,气流速度增加,增至470 m/s,然后减弱。最后在外流场中趋于减弱的情况,但由于出口速度较大,而且减慢的趋势缓慢,所以在一段路径后仍保持一定的高速,这一现象也有利于气体以较高的速度进入窄切缝中,带走加工时的切屑,保证加工的顺利进行;

(3)在改变收缩角大小,出口处的直径不变的情况下,随着锥角的减小,速度略有增加,,可以看出最高点的速度达到480 m/s,而出口处的压力则略有下降,但整体曲线的变化趋势基本相同;

(4)在改变稳定段长度的情况下,稳定段长度由3 mm改为5 mm,整体的喷嘴的长度由15 mm变为18 mm,这时压力与速度的整体曲线走势也无明显差别,速度最高点处略有下降,为465 m/s,但喷嘴出口压力降低,约为0.15 MPa。通过对以上的结果进行的分析,可以看出,在总压一定、出口处直径一定的情况,随着收缩角与稳定段长度的变化,沿轴线方向上的压力与速度的变化趋势都大致相同,但收缩角的增大会导致气流速度的降低,锥角越大,喷嘴内部气体膨胀越不充分,而且出口的稍高压力和低速度对后来流体都具有一定阻碍作用,而这也将影响切割质量,所以不建议采用大的锥角。而稳定段长度的改变对速度的影响则没有那么明显,但会使得出口处的压力减小,并且较长的稳定段会引起沿程阻力损失等能量消耗,所以稳定段长度的增加虽有利于均匀气流的获得,但对切割过程不利,同样,不建议使用长的稳定段。

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