Конструкція сопла машини для лазерного різання

Конструкція сопла та технологія керування повітряним потоком: під час лазерного різання сталі кисень і сфокусований лазерний промінь потрапляють через сопло на матеріал, який потрібно розрізати, таким чином утворюючи промінь повітряного потоку. Основна вимога до потоку повітря полягає в тому, що потік газу в розріз повинен бути великим, а швидкість повинна бути високою, щоб достатнє окислення могло зробити матеріал розрізу повністю екзотермічної реакцією; У той же час імпульсу достатньо, щоб видувати розплавлений матеріал. Таким чином, окрім якості променя та його контролю безпосередньо впливають на якість різання, конструкція сопла та контроль повітряного потоку (наприклад, тиск сопла, положення заготовки в потоці повітря тощо) також дуже важливі фактори.
Насадка, яка використовується для лазерного різання, має просту конструкцію, тобто конічний отвір із невеликим круглим отвором на кінці (рис. 4). Зазвичай він розробляється шляхом експерименту та помилок. Оскільки сопло, як правило, виготовлене з міді, невеликого розміру, воно є вразливою частиною і потребує частої заміни, тому розрахунок і аналіз динаміки рідини не проводяться. При використанні зі сторони сопла через певний тиск Pn (манометричний тиск Pg) газу, який називається тиском сопла, від вихідного отвору сопла, після певної відстані до поверхні заготовки, тиск називається тиском різання Pc, і, нарешті, розширення газу до атмосферного тиску Па. Дослідження показують, що зі збільшенням Pn збільшується швидкість повітряного потоку, а також збільшується Pc.
Його можна обчислити за такою формулою: V=8.2d2(Pg+1)
V- Витрата газу, л/хв
d- Діаметр сопла мм
Pg- Тиск на соплі (манометричний тиск) бар
Існують різні пороги тиску для різних газів, коли тиск на соплі перевищує це значення, потік газу є нормальною косою ударною хвилею, а швидкість потоку газу переходить від дозвукової до надзвукової. Цей поріг пов’язаний із співвідношенням Pn і Pa та ступенем свободи (n) молекул газу: наприклад, n=5 кисню та повітря, тому його поріг Pn=1бар×(1,2 )3.5=1.89бар. Коли тиск на соплі вищий Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2 (Pn; 4 бар), нормальна похила ударна хвиля повітряного потоку стає позитивною. хвилі, тиск різання Pc зменшується, швидкість повітряного потоку зменшується, і на поверхні заготовки утворюється вихровий струм, який послаблює дію повітряного потоку, що видаляє розплавлений матеріал, і впливає на швидкість різання. Тому використовується форсунка з конічним отвором з маленьким круглим отвором на кінці, а тиск кисню в форсунці часто нижче 3 бар.
Щоб ще більше підвищити швидкість лазерного різання, можна спроектувати та виготовити сопло Лаваля відповідно до принципу аеродинаміки без створення позитивної ударної хвилі за умови збільшення тиску сопла. Конструкцію, як показано на малюнку 4, можна використовувати для зручності виготовлення. Лазерний центр Університету Ганновера, Німеччина, використовував лазер 500WCO2 із фокусною відстанню лінзи 2,5 дюйма та проводив випробування з точковим соплом і соплом Лаваля відповідно, як показано на малюнку 4. Результати випробувань показано на малюнку 5, які відповідно представляють функціональну залежність між шорсткістю поверхні розрізу Rz і швидкістю різання Vc сопел NO2, NO4 і NO5 під різним тиском кисню. З малюнка видно, що швидкість різання сопла з малими отворами NO2 може досягати лише 2,75 м/хв, коли Pn становить 400 КПа (або 4 бар) (товщина пластини з вуглецевої сталі становить 2 мм). Слід зазначити, що тиск різання Pc є функцією відстані між заготовкою та соплом, оскільки коса ударна хвиля багато разів відбивається на кордоні газового потоку, тиск різання періодично змінюється.
Перша зона високого тиску різання знаходиться поблизу вихідного отвору сопла, відстань між поверхнею заготовки та вихідним отвором сопла становить приблизно 0,5~1,5 мм, а тиск різання Pc великий і стабільний, що є процесом параметр, який зазвичай використовується в промисловому виробництві. Друга за величиною площа тиску різання становить приблизно 3~3,5 мм від вихідного отвору сопла, і тиск різання Pc також великий, що також може досягти хороших результатів і сприяє захисту лінзи та покращенню терміну її служби. Інші зони високого тиску різання на кривій не можна використовувати, оскільки вони розташовані надто далеко від вихідного отвору сопла, щоб відповідати сфокусованому променю.