專利名稱：：用于數(shù)控激光切割的簡(jiǎn)易折線縮放超音速噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種數(shù)控激光切割
技術(shù)領(lǐng)域：
的噴嘴，具體是一種用于數(shù)控激光切割的簡(jiǎn)易折線縮放超音速噴嘴。
背景技術(shù)：
：在數(shù)控激光切割過程中，噴嘴是激光切割的關(guān)鍵部件之一，用來作為高能激光束和輔助氣體的公共通道。激光切割過程中，輔助氣體一方面將熔融金屬從切縫中吹除，另一方面使切口附近的金屬得以快速冷卻，從而減少掛渣和減小熱影響區(qū)。因此，良好的噴嘴設(shè)計(jì)不但能有效保證切割質(zhì)量，而且能大幅度提高切割效率。目前切割生產(chǎn)中應(yīng)用的較廣的是會(huì)聚型噴嘴，雖然它們結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，但在用高壓氣體切割中厚板的時(shí)候，切口附近的氣體中會(huì)產(chǎn)生激波現(xiàn)象，嚴(yán)重惡化出口氣體的動(dòng)力學(xué)性能，氣體的紊流度增大，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)噴嘴和工件之間的距離變化非常敏感，有效切割區(qū)域明顯減小，切割效率和切割質(zhì)量降低。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N200510095474.X的"一種新型激光切割頭"和申請(qǐng)?zhí)枮镃N200710044903.X的"用于激光切割的超音速噴嘴"發(fā)現(xiàn)，對(duì)于超音速噴嘴最重要的擴(kuò)張段的設(shè)計(jì)，前者采用富爾士(Foelsch)流線擬合，后者采用簡(jiǎn)化荷爾(Hall)設(shè)計(jì)方法的高次曲線擬合，噴嘴內(nèi)壁曲線都非常復(fù)雜，難以加工制造。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了克服上述缺陷和不足，設(shè)計(jì)了一種用于數(shù)控激光切割的簡(jiǎn)易折線縮放超音速噴嘴，其中擴(kuò)張段采用直線代替，這樣設(shè)計(jì)不但使得加工容易，而且有效保證出口氣體的動(dòng)力學(xué)性能，提高切割質(zhì)量和切割效率。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明所述的超音速噴嘴包括平行段、收縮段、喉部和擴(kuò)張段四個(gè)部分，它們構(gòu)成一個(gè)連通的整體，平行段入口和外部激光器氣腔連接以便高壓輔助氣體進(jìn)入，平行段出口連接收縮段的入口，收縮段出口連接喉部，喉部另一側(cè)連接擴(kuò)張段入口，所述喉部是收縮段與擴(kuò)張段之間的過渡截面，喉部的設(shè)計(jì)是用來實(shí)現(xiàn)收縮段和擴(kuò)張段的過渡，收縮段出口經(jīng)喉部過渡到擴(kuò)張段入口。擴(kuò)張段為直線段，輔助氣體經(jīng)擴(kuò)張段后作用于激光切割切縫處，將熔融金屬和其它廢渣吹除。擴(kuò)張段為直線段，收縮段入口半徑^與喉部半徑^之比由<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>確定，擴(kuò)張段出口半徑《與喉部半徑&之比由<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>確定，其中M、Me分別表示收縮段入口、喉部和擴(kuò)張段出口的馬赫數(shù)，k為氣體熱力學(xué)系數(shù)，雙原子氣體k-1.4，多原子氣體k=5/3，喉部的馬赫數(shù)^^=1,當(dāng)i^/《-co"W，/,/A-co"W時(shí)，在氣體壓力作用下，超音速噴嘴的出口馬赫數(shù)保持為一個(gè)固定值。所述平行段和收縮段之間的外部設(shè)有密封墊片，用來固定噴嘴和密封高壓氣體。本發(fā)明的超音速噴嘴工作時(shí)，高壓輔助氣體經(jīng)過平行段成為均勻的氣流，從平行段流出的均勻高壓輔助氣體經(jīng)過收縮段得到加速，到達(dá)喉部正好達(dá)到聲速，最后經(jīng)過擴(kuò)張段，超聲速氣流繼續(xù)加速到設(shè)計(jì)的馬赫數(shù)，得到超聲速氣流。本發(fā)明的超音速噴嘴中，所述的平行段設(shè)計(jì)為直線段，其直徑按照公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>算出，^為平行段截面面積，4為喉部截<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>面面積，M。為收縮段入口馬赫數(shù)，k是特定氣體的熱力學(xué)系數(shù)，平行段長(zhǎng)度4越長(zhǎng)獲得的來流越均勻，但是受激光焦深的限制，Z。一般取10倍喉部直徑D。；收縮段的形狀為維多辛吉斯曲線狀；喉部直徑取決于噴嘴入口氣體壓力和環(huán)境壓力，喉部直徑按照A-1.43,f^(mm),其中F(wVA)為標(biāo)準(zhǔn)狀況下切割氣體的容積流，化+1尸。(紐/wm2)為收縮段進(jìn)口處氣體壓力，P。太大時(shí)會(huì)使喉部直徑太小，喉部直徑過小時(shí)會(huì)導(dǎo)致高能激光束燒壞噴嘴壁面。本發(fā)明的超音速噴嘴中，所述擴(kuò)張段為了便于加工制造，采用合理長(zhǎng)度的直線段代替現(xiàn)有超音速噴嘴結(jié)構(gòu)中階次較高的復(fù)雜曲線。擴(kuò)張段出口半徑取為《=0.8mm，變動(dòng)擴(kuò)張段長(zhǎng)度L可知，當(dāng)擴(kuò)張段長(zhǎng)度L大于1.6ram時(shí)，速度、壓力將趨于固定值，當(dāng)L小于1.6mm，出口中心的總能隨L增大而減小。為了保證壓力盡可能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，同時(shí)保證出流狀態(tài)參數(shù)穩(wěn)定、均勻，擴(kuò)張段長(zhǎng)度應(yīng)保證壓力和速度處于穩(wěn)定值。為了減小管路損失，擴(kuò)張段長(zhǎng)度越小越好，L-1.6mm為最合理長(zhǎng)度。擴(kuò)張段長(zhǎng)度和出口半徑確定后，出口傾斜角^可有公式0-arctan^f^算出。本發(fā)明超聲速噴嘴與現(xiàn)有噴嘴相比，喉部為收縮段與擴(kuò)張段之間的過渡截面，超音速流的實(shí)現(xiàn)全部由擴(kuò)張段完成，擴(kuò)張段結(jié)構(gòu)能保證出流均勻整齊，流線平行。本發(fā)明的擴(kuò)張段采用合理長(zhǎng)度的直線段代替復(fù)雜曲線，這樣的設(shè)計(jì)不但使得加工制造容易，而且能夠保證數(shù)控切割精度和切割效率。本發(fā)明的超音速噴嘴進(jìn)行數(shù)控激光切割時(shí)，切口處氣流速度高，氣流質(zhì)量流率大，切割質(zhì)量好，切縫窄而整齊，下邊緣沒有掛渣，切割效率也比較高。與傳統(tǒng)錐形噴嘴相比，當(dāng)工作壓力為9.0bar，噴嘴與工件上表面之間的距離為0.9mm，焦點(diǎn)到工件表面的距離為0.95咖時(shí)，本發(fā)明噴嘴切割速度可提高35%左右，板材上下表面切縫寬度小于0.3mm，切縫傾斜角小于0-5°。圖1為本發(fā)明超音速噴嘴結(jié)構(gòu)剖視圖圖2為本發(fā)明超音速噴嘴內(nèi)壁曲線結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明超音速噴嘴收縮段曲線示意圖圖4為本發(fā)明超音速噴嘴擴(kuò)張段總體曲線示意圖具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)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(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例包括平行段l、收縮段2、喉部3、擴(kuò)張段4，它們構(gòu)成為一個(gè)連通的整體。平行段l入口連接激光器氣腔以存儲(chǔ)高壓輔助氣體，平行段1出口連接收縮段2的入口，收縮段2出口連接喉部3左側(cè)，喉部3右側(cè)連接擴(kuò)張段4，喉部3的設(shè)計(jì)是用來實(shí)現(xiàn)收縮段2和擴(kuò)張段4的過渡。從平行段1流出均勻高壓輔助氣體，經(jīng)過收縮段2輔助氣體得到加速，到達(dá)喉部3正好達(dá)到聲速，最后經(jīng)過擴(kuò)張段4，超聲速氣流繼續(xù)加速到設(shè)計(jì)的馬赫數(shù)，得到超聲速氣流。平行段1入口設(shè)有連接段6,連接段6用螺紋連接整個(gè)噴嘴與激光器氣腔。平行段1和收縮段2之間的外部設(shè)有密封墊片5，用來固定噴嘴和密封高壓氣體。擴(kuò)張段為直線段，收縮段入口半徑&與喉部半徑&之比由收縮段入口馬赫數(shù)M。、喉部馬赫數(shù)M。和氣體熱力學(xué)系數(shù)k確定，擴(kuò)張段出口半徑&與喉部半徑A之比由擴(kuò)張段出口馬赫數(shù)M,、喉部馬赫數(shù)^^和氣體熱力學(xué)系數(shù)k確定，當(dāng)^/i^-CO"W，^/A-CW7W時(shí)，在氣體壓力作用下，超音速噴嘴的出口馬赫數(shù)將保持為一個(gè)固定值。以下對(duì)本實(shí)施例詳細(xì)描述-1、平行段平行段1的作用是使氣腔中流入的氣體均勻，紊流度低，穩(wěn)定段中每一點(diǎn)的速度只有軸向速度而無徑向速度。平行段1設(shè)計(jì)為直線段，其直徑按照公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>算出。穩(wěn)定段的長(zhǎng)度一般不小于io倍喉部直徑化，以使進(jìn)入的氣流穩(wěn)定。2、收縮段如圖2、圖3所示，收縮段2的形狀為維多辛吉斯曲線，它保持氣流均勻穩(wěn)定，在收縮段2出口處氣流流線平行，并使氣流加速到聲速。維多辛吉斯曲線方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>上式中R。、R。、R分別是收縮段2入口、出口與軸線上任意一點(diǎn)處的截面半徑，L是收縮段軸向長(zhǎng)度，x是軸線上任意一點(diǎn)與收縮段2入口之間的軸向距離。維多辛吉斯曲線能夠保證喉部3入口處的氣流均勻。3、喉部喉部3是將亞音速轉(zhuǎn)化為超音速的過渡區(qū)域，喉部3采用圓弧與擴(kuò)張段光滑連接，它的直徑取決于噴嘴入口氣體壓力和環(huán)境壓力，喉部3的直徑按照<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(mm)，其中r(w3//o為標(biāo)準(zhǔn)狀況下切割氣體的容積流，P。(yfcg/wm2)為圖3中收縮段2入口處氣體壓力。尸。太大時(shí)會(huì)使喉部3的直徑太小，喉部3的直徑過小時(shí)會(huì)導(dǎo)致高能激光束燒壞噴嘴壁面。4、擴(kuò)張段如圖4所示，擴(kuò)張段4是本發(fā)明超音速噴嘴最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)，擴(kuò)張段4的作用是使喉部3處的聲速氣流繼續(xù)加速膨脹，以在擴(kuò)張段4出口處達(dá)到超音速，從而獲得良好的氣體動(dòng)力學(xué)性能。根據(jù)一維空氣動(dòng)力學(xué)，超音速噴嘴收縮段2、喉部3、擴(kuò)張段4二個(gè)部分之間的狀態(tài)參數(shù)可以用下面二個(gè)方程表不<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>其中Af。、AT、J^分別表示收縮段2入口、喉部3和擴(kuò)張段4出口的馬赫數(shù)，A、^、"分別表示收縮段2入口、喉部3和擴(kuò)張段4出口的氣體壓力。當(dāng)&/&=，及,/凡-c朋W時(shí)，在高壓氣體作用下，超音速噴嘴的出口馬赫數(shù)將保持為一個(gè)固定值。給定喉部3的半徑&二0.6mm時(shí)，擴(kuò)張段4出口半徑^=0.8mm,擴(kuò)張段4的長(zhǎng)度的確定對(duì)整個(gè)超音速噴嘴出口處氣流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性能有至關(guān)重要的影響。變動(dòng)擴(kuò)張段4的長(zhǎng)度L可知，當(dāng)擴(kuò)張段4的長(zhǎng)度L大于1.6咖時(shí)，擴(kuò)張段4出口中心的速度和壓力將趨于固定值，當(dāng)L小于1.6mra，擴(kuò)張段4出口中心的總能隨L增大而減小。為了保證壓力盡可能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，同時(shí)保證出流狀態(tài)參數(shù)穩(wěn)定、均勻，擴(kuò)張段4的長(zhǎng)度應(yīng)保證壓力和速度處于穩(wěn)定值。為了減小管路損失，擴(kuò)張段4的長(zhǎng)度越小越好，L-1.6mm為最佳長(zhǎng)度。擴(kuò)張段4的長(zhǎng)度和出口半徑確定后，出口傾斜角6可由公式^=肌加2/1—化算出。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>高壓二氧化碳切割不銹鋼應(yīng)用情況用本發(fā)明的噴嘴切割厚度為3.0mm厚的不銹鋼板材，牌號(hào)為304，輔助氣體為二氧化碳，供氣壓力為9bar，激光功率為2500W，噴嘴與工件上表面之間的距離為0.9咖，焦點(diǎn)到工件表面的距離為0.95mm,切割速度為分別取2.5m/min，3.0m/min，3.5m/min，切割試驗(yàn)結(jié)果如下表示<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>從上表中試驗(yàn)結(jié)果看出。上下表面的切口寬度很小，傾角也很小，切縫與板材上表面垂直度高，切口斷面粗糙度小。用傳統(tǒng)錐型噴嘴切割3.0咖厚的不銹鋼，輔助氣體不但不能完全把熔融金屬及其它熔渣從切縫中吹除，而且板材下表面掛渣多，傾斜角比較大。所以用本發(fā)明的超音速噴嘴進(jìn)行數(shù)控激光切割能獲得良好的切割質(zhì)量和切割效率。權(quán)利要求1.一種用于數(shù)控激光切割的簡(jiǎn)易折線縮放超音速噴嘴，包括平行段、收縮段、喉部和擴(kuò)張段四個(gè)部分，它們構(gòu)成一個(gè)連通的整體，平行段入口和外部激光器氣腔連接以便高壓輔助氣體進(jìn)入，平行段出口連接收縮段的入口，收縮段出口連接喉部，喉部另一側(cè)連接擴(kuò)張段入口，其特征在于擴(kuò)張段為直線段，收縮段入口半徑R0與喉部半徑Rc之比由<math-cwu><![CDATA[<math><mrow><msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>R</mi><mi>c</mi></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mfrac><msub><mi>M</mi><mi>c</mi></msub><msub><mi>M</mi><mn>0</mn></msub></mfrac><msup><mrow><mo>[</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>k</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac><msup><msub><mi>M</mi><mn>0</mn></msub><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>k</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac><msup><msub><mi>M</mi><mi>c</mi></msub><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>]</mo></mrow><mfrac><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></msup></mrow></math>]]></math-cwu><!--imgid="icf0001"file="S2008100371082C00011.gif"wi="52"he="21"top="97"left="63"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/-->確定，擴(kuò)張段出口半徑R1與喉部半徑Rc之比由<math-cwu><![CDATA[<math><mrow><msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>R</mi><mi>c</mi></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mfrac><msub><mi>M</mi><mi>c</mi></msub><msub><mi>M</mi><mn>1</mn></msub></mfrac><msup><mrow><mo>[</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>k</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac><msup><msub><mi>M</mi><mn>1</mn></msub><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>k</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac><msup><msub><mi>M</mi><mi>c</mi></msub><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>]</mo></mrow><mfrac><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></msup></mrow></math>]]></math-cwu><!--imgid="icf0002"file="S2008100371082C00012.gif"wi="50"he="21"top="125"left="51"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="no"/-->確定，其中M0、Mc、M1分別表示收縮段入口、喉部和擴(kuò)張段出口的馬赫數(shù)，k為氣體熱力學(xué)系數(shù)，雙原子氣體k＝1.4，多原子氣體k＝5/3，喉部的馬赫數(shù)Mc＝1，當(dāng)R0/Rc＝const，R1/Rc＝const時(shí)，在氣體壓力作用下，超音速噴嘴的出口馬赫數(shù)保持為一個(gè)固定值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于數(shù)控激光切割的簡(jiǎn)易折線縮放超音速噴嘴，其特征是，所述擴(kuò)張段與喉部為圓弧光滑連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于數(shù)控激光切割的簡(jiǎn)易折線縮放超音速噴嘴，其特征是，所述喉部，其直徑取決于噴嘴入口氣體壓力和環(huán)境壓力，喉部直徑按照化=1.43，其中J7為標(biāo)準(zhǔn)狀況下切割氣體的容積流，尸。(A:g/m附2)為收縮段進(jìn)口處氣體壓力。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于數(shù)控激光切割的簡(jiǎn)易折線縮放超音速噴嘴，其特征是，所述平行段為直線段，其直徑D。結(jié)合喉部直徑A按照公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>算出，式中，^為平行段截面面積，^為喉部截面面積，i/。為收縮段入口馬赫數(shù)，k是特定氣體的熱力學(xué)系數(shù)。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述的用于數(shù)控激光切割的簡(jiǎn)易折線縮放超音速噴嘴，其特征是，所述喉部半徑&=0.6mm時(shí)，擴(kuò)張段出口半徑為《=0.8咖，擴(kuò)張段的軸向長(zhǎng)度L=1.6mm，此時(shí)噴嘴出口中心具有穩(wěn)定的總能和最小的管路損失。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于數(shù)控激光切割的簡(jiǎn)易折線縮放超音速噴嘴，其特征是，所述的擴(kuò)張段，其出口傾斜角0根據(jù)公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>算出，其中喉部直徑D。，擴(kuò)張段長(zhǎng)度L，擴(kuò)張段出口半徑&。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于數(shù)控激光切割的簡(jiǎn)易折線縮放超音速噴嘴，其特征是，所述收縮段的形狀為維多辛吉斯曲線。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于數(shù)控激光切割的簡(jiǎn)易折線縮放超音速噴嘴，其特征是，所述平行段和收縮段之間的外部設(shè)有密封墊圈，用于噴嘴的固定和高壓氣體的密封。全文摘要本發(fā)明涉及一種用于數(shù)控激光切割的簡(jiǎn)易折線縮放超音速噴嘴，包括平行段、收縮段、喉部和擴(kuò)張段。擴(kuò)張段為直線段，收縮段入口半徑R₀與喉部半徑R_c之比由收縮段入口馬赫數(shù)M₀、喉部馬赫數(shù)M_c和氣體熱力學(xué)系數(shù)k確定，擴(kuò)張段出口半徑R₁與喉部半徑R_c之比由擴(kuò)張段出口馬赫數(shù)M₁、喉部馬赫數(shù)M_c和氣體熱力學(xué)系數(shù)k確定，當(dāng)R₀/R_c＝const，R₁/R_c＝const時(shí)，在氣體壓力作用下，超音速噴嘴的出口馬赫數(shù)將保持為一個(gè)固定值。本發(fā)明的超音速噴嘴進(jìn)行數(shù)控激光切割時(shí)，經(jīng)噴嘴噴出的氣流均勻，質(zhì)量流率和動(dòng)量大，可以有效的吹走熔融金屬和其他熔渣，切口窄而整齊，切縫下邊緣沒有掛渣，切割質(zhì)量和切割效率顯著提高。文檔編號(hào)B23K26/38GK101284333SQ200810037108公開日2008年10月15日申請(qǐng)日期2008年5月8日優(yōu)先權(quán)日2008年5月8日發(fā)明者放劉,盛曉軍,俊胡,邱明勇申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)