專利名稱：：用于激光切割的超音速噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種機械
技術(shù)領(lǐng)域：
的噴嘴，具體是一種用于激光切割的超音速噴嘴。
背景技術(shù)：
：在激光切割過程中，噴嘴主要用作激光束和輔助氣體的排出通道，是實現(xiàn)激光切割的重要部件。激光切割過程是高能激光束與輔助氣體相互作用的結(jié)果，一方面高能光束使加工材料熔化甚至氣化，另一方面輔助氣體把熔融金屬和部分熱量從切口中排出去。因此合理的噴嘴結(jié)構(gòu)不僅能提高加工能力，而且使熱影響區(qū)限制在一個很小的范圍內(nèi)，保證了良好加工質(zhì)量。目前激光超音速噴嘴有兩種設(shè)計結(jié)構(gòu)一種是拉瓦爾型直道結(jié)構(gòu)，另一種是荷爾(Hall)和富爾士(foelsch)擬合普朗特一邁耶膨脹線法，但是這兩種結(jié)構(gòu)都是由火箭助推腔的設(shè)計方法發(fā)展而來，激光切割噴嘴尺寸要比火箭助推腔小的多，因此這些高階曲線的擬合方法在小尺寸加工中，不僅成形難度大，而且加工精度低。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)枮镃N200510095474.X的"一種新型激光切割頭"。該設(shè)計依據(jù)拉瓦爾結(jié)構(gòu)特性，采用富爾士流線擬合方法，具有較高的設(shè)計要求。但上述超音速噴嘴的設(shè)計方案，由于作為噴嘴超音速區(qū)域的發(fā)散段內(nèi)壁是直線和高階曲線的組合，這樣不但增加了加工難度，而且很難保證超音速流的平穩(wěn)性，尤其是喉部和發(fā)散段的連接是直線段，不能保證壁面邊界層的連續(xù)性，也不可能保證超音速流在管內(nèi)分布均勻，流行平行。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提供一種用于激光切割的超音速噴嘴，其中發(fā)散段用大直徑圓弧來代替現(xiàn)有的復(fù)雜曲線，這樣的設(shè)計不僅可以極大降低加工難度，而且能夠保證加工精度，提高切割效率。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括平行段、收斂段、喉部、發(fā)散段，這四部分為一相通的整體，其中平行段進(jìn)口和外部激光器氣腔連接儲存高壓氣體，平行段出口連接收斂段的迸口，收斂段出口連接喉部，喉部另一側(cè)為發(fā)散段，喉部為設(shè)于收斂段與發(fā)散段之間的過渡截面。從平行段流出的高壓氣體，流經(jīng)收斂段加速到跨聲速流，再流經(jīng)過喉部完成跨聲速向超音速流的過渡，最后在發(fā)散段，超音速流繼續(xù)擴張達(dá)到預(yù)定馬赫數(shù)，并且引導(dǎo)超音速氣流變得穩(wěn)定均勻。所述平行段和收斂段之間的外側(cè)設(shè)有固定與密封結(jié)構(gòu)，用于高壓氣體流場的密封與固定。所述平行段進(jìn)口端設(shè)有連接段，連接段為整個噴嘴與激光器氣腔連接部分，采用螺紋連接。所述收斂段，其形狀為維多辛吉斯曲線狀，保證流經(jīng)喉部聲速等值線垂直軸線，而且能在加速過程中盡可能消除回流，使氣流加速達(dá)到音速，同時又保持流動的均勻與出流流線平行。所述的平行段，其直徑D。依賴于喉部直徑D。，+o嚴(yán)]"2，M01.2M。為收斂段入口馬赫數(shù)，一般選擇ilf。=0.02~0.1，k是絕熱系數(shù)，雙原子氣體為k=1.4，多原子氣體為k-5/3，平行段長度L。理論上是越長越好，但是通常受激光焦距的影響，一般L。長度取10倍喉部直徑D。。所述喉部最小直徑由設(shè)計壓力與環(huán)境壓力定壓比決定，喉部截面直徑Z)t=1.43、f^，其中F為標(biāo)準(zhǔn)狀況下切割氣體的容積流，P。為收斂段進(jìn)口處氣體仏+1壓力。喉部的直徑由去除切屑所需容積量和滯止壓力確定。所述的發(fā)散段分為兩段，其中第一段由等熵條件下的布朗特一邁耶膨脹線確定，第二段按照簡化荷爾(Hall)設(shè)計方法采用大直徑圓弧使曲線斜率減小至0，一般定義圓弧直徑大于圓弧所在管部直徑的3倍以上為大直徑圓弧。第一段位于喉部與第二段之間，兩段光滑連接。所述第一段，其形狀曲線為l^l+:ctarm-Jtanaarctan[，+0.03(借)4]，其中爿二^cota—3.686sin^—_^1_+0.0048)，a為曲線任一點x處的切線與x軸的夾;r2sin(or/2)角，x軸是噴嘴的中心軸線，《最大值在[9°，16°]之間，此時最大值處;<:=4，即發(fā)散段第一段結(jié)束，"在x=Z,處的具體大小由發(fā)散段出口直徑與第二段曲線的連接關(guān)系確定；所述第二段由大直徑圓弧使a由最大值過渡為0，此時直徑i,二45A，由數(shù)值方法優(yōu)化獲得?，F(xiàn)有超音速噴嘴的喉部設(shè)計主要是依據(jù)富爾士(Foelsch)方法以大直徑圓弧過渡，而后以直線聯(lián)結(jié)發(fā)散段，但是這種方法往往不能保證壁面邊界層生長的連續(xù)性，而且也會對發(fā)散段流場產(chǎn)生不良影響。本發(fā)明把喉部和發(fā)散段一體化，而把發(fā)散段分為光滑連結(jié)的兩段，不僅能保證氣流均勻加速，而且保證了壁面邊界層生長的連續(xù)性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明喉部為設(shè)于收斂段與發(fā)散段之間的過渡截面，超音速流的實現(xiàn)全部由發(fā)散段完成，發(fā)散段結(jié)構(gòu)不僅保證出流均勻，流線平行，而且可保證壁面邊界層連續(xù)。本發(fā)明的發(fā)散段用大直徑圓弧來代替復(fù)雜曲線，這樣的設(shè)計不僅可以極大降低加工難度，而且能夠保證加工精度。而且本發(fā)明進(jìn)行切割時，切割效果良好，速度高，切割質(zhì)量好，切縫下邊緣沒有掛渣。特別在加工難加工金屬時，本發(fā)明可以有效的吹走熔融金屬和其他高黏度渣物，提高切割質(zhì)量和切割效率。和傳統(tǒng)錐形收斂結(jié)構(gòu)噴嘴相比，當(dāng)工作壓力為9.7bar，噴嘴與工件間距0.8mm時，本發(fā)明噴嘴將切割速度提高40%，或切割厚度增加2倍時，仍能獲得比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)噴嘴良好的加工質(zhì)量。圖1為本發(fā)明噴嘴結(jié)構(gòu)剖視示意圖圖2為本發(fā)明噴嘴內(nèi)壁曲線結(jié)構(gòu)示意圖圖3為本發(fā)明收斂段曲線示意圖圖4為本發(fā)明發(fā)散段總體曲線示意圖圖5為本發(fā)明發(fā)散段第一段曲線示意圖具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本實施例包括平行段l、收斂段2、喉部3、發(fā)散段4，這四部分為一相通的整體，其中平行段l進(jìn)口和外部激光器氣腔連接儲存高壓氣體，平行段1出口連接收斂段2的進(jìn)口，收斂段2出口連接喉部3，喉部3另一側(cè)為發(fā)散段4，喉部3為設(shè)于收斂段2與發(fā)散段4之間的過渡截面。高壓氣體平行段1與外部腔體通過螺紋連接儲存高壓氣體，從平行段l流出高壓氣體，流經(jīng)收斂段2加速到跨聲速流，再流經(jīng)過喉部3完成跨聲速向超音速流的過渡，最后在發(fā)散段4，超音速流繼續(xù)擴張達(dá)到預(yù)定馬赫數(shù)，并且引導(dǎo)超音速氣流變得穩(wěn)定均勻。所述平行段1和收斂段2之間的外側(cè)設(shè)有固定與密封結(jié)構(gòu)6，用于高壓氣體流場的密封與固定。所述平行段1進(jìn)口端設(shè)有連接段5，連接段5為整個噴嘴與激光器氣腔連接部分，采用螺紋連接。所述的平行段1，其直徑D。依賴于喉部3直徑D。，D。=化[丄(1+.，),/2，M。1.2一般選擇M。=0.02~0.1。所述喉部3和發(fā)散段4近壁流線光滑過渡。如圖2、圖3所示，所述的收斂段2，其形狀為多辛吉斯曲線狀，保證氣流加速達(dá)到音速，同時又保持流動的均勻與出流流線平行。維多辛吉斯曲線關(guān)系為x是軸線上任意一點，L是收斂段的長度，R。、R。、R分別是收斂段2進(jìn)口、出口與任意x處的截面半徑。維多辛吉斯曲線的優(yōu)點是能保證進(jìn)入喉部3的氣流均勻。所述的喉部3是將亞音速轉(zhuǎn)化為超音速的過渡界面區(qū)域。本實施例把喉部3與發(fā)散段4作為一體，喉部3為收斂段2和發(fā)散段4的過渡截面。喉部3最小直徑由設(shè)計壓力與環(huán)境壓力定壓比決定，喉部3截面直徑為化=1.43、^，7為標(biāo)準(zhǔn)狀況下切割氣體的容積流，尸。為圖3中所示收斂段2進(jìn)口處氣體壓力。喉部3的直徑由去除切屑所需容積量和滯止壓力確定。如圖4、圖5所示，所述的發(fā)散段4是本發(fā)明噴嘴設(shè)計核心部分，發(fā)散段4的功能是通過氣體的膨脹加速在喉部3已經(jīng)達(dá)到聲速的氣流，直到獲得滿意的馬赫數(shù)。超音速流的實現(xiàn)全部由發(fā)散段4完成。所述發(fā)散段4設(shè)計分為兩段，包括第一段7和第二段8，第一段7位于喉部3與第二段8之間，兩段光滑連接，即第二段8大直徑圓弧起始角與第一段7曲線終止角相等，保證了超音速區(qū)壁面邊界層不間斷。第一段7由等熵條件下的布朗特一邁耶膨脹線確定，第二段8按照簡化荷爾(Hall)設(shè)計方法采用大直徑圓弧使曲線斜率減小至0。所述第一段7，其形狀曲線為J^l+jctana-Jtaimarctan[^^+0.03(》4]，其中J=^(cota-3.686sin^-~^~+0.0048),"為曲線任一點x處的切線與x;r2sin(or/2)軸的夾角，x軸是噴嘴的中心軸線，a大小在[9。,16。]之間，具體大小由出口直徑與第二段8曲線的連接關(guān)系確定，R為曲線任一點x處發(fā)散段第一段的內(nèi)腔半徑。所述第二段8由大直徑圓弧使a由最大值過渡為0，此時直徑i^=4-5^。RT為發(fā)散段第二段圓弧的半徑，Di是發(fā)散段出口直徑，A指發(fā)散段第二段長度。本實施例的平行段1與外部腔體通過螺紋連接儲存高壓氣體，經(jīng)收斂段2將高壓氣體加速到跨聲速流，使氣流馬赫數(shù)達(dá)到1，經(jīng)過喉部3完成跨聲速向超音速流的過渡，而在發(fā)散段4超音速流繼續(xù)擴張達(dá)到預(yù)定馬赫數(shù)，由于發(fā)散段4的第一段7是由布朗特一邁耶膨脹線擬合而來，氣體在膨脹加速過程中不會和固壁發(fā)生撞擊，而產(chǎn)生回流，而是平穩(wěn)向前推進(jìn)，當(dāng)氣流馬赫數(shù)接近預(yù)定馬赫數(shù)時，氣流進(jìn)入發(fā)散段4第二段8，通過大直徑圓弧引導(dǎo)超音速氣流變得穩(wěn)定均勻，使非平行軸線流線平穩(wěn)過渡至軸線平線，而不會影響邊界層生長的連續(xù)性。應(yīng)用實例利用高壓氮氣切割不銹鋼本發(fā)明噴嘴設(shè)計出口馬赫數(shù)為2.0878，不銹鋼鋼板厚度為4mm,牌號為316L，激光功率為2000W,噴嘴與工件之間的距離為0.8ram，氣體壓力為11.2bar，焦點到工件表面的距離為0.875mm，切割速度為分別取3.Om/min，4.Om/min，5.Om/min，切割試驗結(jié)果如下表示<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>從上表中試驗結(jié)果的比較可以看出。上下表面的切口寬度很小，同時傾角也很小，切口斷面平整而且光滑。而利用傳統(tǒng)的噴嘴切割4mm厚的不銹鋼，噴嘴氣體壓力在17.6bar時才能把熔融金屬及其夾渣從切縫中吹走，而且切口中存有毛刺，垂直度較差，所以用本設(shè)計的超音速噴嘴進(jìn)行切割不僅能獲得良好的切割質(zhì)量，而且能減少氣體消耗。權(quán)利要求1.一種用于激光切割的超音速噴嘴，包括平行段、收斂段、喉部、發(fā)散段，這四部分為一相通的整體，其中平行段進(jìn)口和外部激光器氣腔連接儲存高壓氣體，平行段出口連接收斂段的進(jìn)口，收斂段出口連接喉部，喉部另一側(cè)為發(fā)散段，其特征在于所述喉部為設(shè)于收斂段與發(fā)散段之間的過渡截面，所述發(fā)散段包括第一段和第二段，兩段光滑連接，第一段位于喉部與第二段之間，第一段由等熵條件下的布朗特一邁耶膨脹線確定，第二段按照簡化荷爾設(shè)計方法采用大直徑圓弧使曲線斜率減小至0。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于激光切割的超音速噴嘴，其特征是，所述發(fā)散段的第一段，其形狀曲線為Wx/x—=l+xtana—爿tanorarctan[-^+0.03(—)4]'其中X=2(cota-3.686sin玍-~^~+0.0048)，a大小在[9°，16°]之間，a為曲;r2sin(a/2)線任一點x處的切線與x軸的夾角，x軸是噴嘴的中心軸線，R為曲線任一點x處發(fā)散段第一段的內(nèi)腔半徑，R。是收斂段出口的截面半徑。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于激光切割的超音速噴嘴，其特征是，所述發(fā)散段的第二段由大直徑圓弧使a由最大值過渡為0，此時直徑A二45D,，長度為丄￡，"大小在[9°,16°]之間，a為曲線任一點x處的切線與x軸的夾角，RT為發(fā)散段第二段圓弧的半徑，Di是發(fā)散段出口直徑，^指發(fā)散段第二段長度。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光切割的超音速噴嘴，其特征是，所述喉部，其最小直徑由設(shè)計壓力與環(huán)境壓力定壓比決定，喉部截面直徑化=1.43、工，其化+1中F為標(biāo)準(zhǔn)狀況下切割氣體的容積流，P。為收斂段進(jìn)口處氣體壓力。5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于激光切割的超音速噴嘴，其特征是，所述平行段和收斂段之間的外側(cè)設(shè)有固定與密封結(jié)構(gòu)，用于高壓氣體流場的密封與固定。6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的用于激光切割的超音速噴嘴，其特征是，所述平行段進(jìn)口端設(shè)有連接段，連接段通過螺紋與激光器氣腔連接部分。7.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的用于激光切割的超音速噴嘴，其特征是，所述的平行段，其直徑D。依賴于喉部直徑D。，。。,丄(1+'，。),/2，M。為收斂M。1.2段入口馬赫數(shù)，JW。=0.02~0.1，k是氣體絕熱系數(shù)。8.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于激光切割的超音速噴嘴，其特征是，所述喉部和發(fā)散段近壁流線光滑過渡。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光切割的超音速噴嘴，其特征是，所述收斂段，其形狀為維多辛吉斯曲線狀。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光切割的超音速噴嘴，其特征是，所述大直徑圓弧是指圓弧直徑大于圓弧所在管部直徑的3倍以上。全文摘要一種機械激光加工
技術(shù)領(lǐng)域：
的用于激光切割的超音速噴嘴，包括平行段、收斂段、喉部和發(fā)散段，這四部分為一相通的整體，所述喉部為設(shè)于收斂段與發(fā)散段之間的過渡截面，所述發(fā)散段包括第一段和第二段，保證超音速區(qū)壁面邊界層不間斷。兩段光滑連接，第一段位于喉部與第二段之間，第一段由等熵條件下的布朗特-邁耶膨脹線確定，第二段按照簡化荷爾設(shè)計方法采用大直徑圓弧使曲線斜率減小至0。本發(fā)明進(jìn)行切割時，切割效果良好，速度高，切割質(zhì)量好，切縫下邊緣沒有掛渣。特別在加工難加工金屬時，本發(fā)明可以有效的吹走熔融金屬和其他高黏度渣物，提高切割質(zhì)量和切割效率。文檔編號B23K26/14GK101104222SQ20071004490公開日2008年1月16日申請日期2007年8月16日優(yōu)先權(quán)日2007年8月16日發(fā)明者波何,磊羅,俊胡,郭紹剛申請人:上海交通大學(xué)