CN101104222A - 用于激光切割的超音速喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种机械激光加工技术领域的用于激光切割的超音速喷嘴，包括平行段、收敛段、喉部和发散段，这四部分为一相通的整体，所述喉部为设于收敛段与发散段之间的过渡截面，所述发散段包括第一段和第二段，保证超音速区壁面边界层不间断。两段光滑连接，第一段位于喉部与第二段之间，第一段由等熵条件下的布朗特－迈耶膨胀线确定，第二段按照简化荷尔设计方法采用大直径圆弧使曲线斜率减小至0。本发明进行切割时，切割效果良好，速度高，切割质量好，切缝下边缘没有挂渣。特别在加工难加工金属时，本发明可以有效的吹走熔融金属和其他高黏度渣物，提高切割质量和切割效率。

Description

用于激光切割的超音速喷嘴

技术领域

本发明涉及的是一种机械技术领域的喷嘴，具体是一种用于激光切割的超音速喷嘴。

背景技术

在激光切割过程中，喷嘴主要用作激光束和辅助气体的排出通道，是实现激光切割的重要部件。激光切割过程是高能激光束与辅助气体相互作用的结果，一方面高能光束使加工材料熔化甚至气化，另一方面辅助气体把熔融金属和部分热量从切口中排出去。因此合理的喷嘴结构不仅能提高加工能力，而且使热影响区限制在一个很小的范围内，保证了良好加工质量。

目前激光超音速喷嘴有两种设计结构：一种是拉瓦尔型直道结构，另一种是荷尔(Hall)和富尔士(foelsch)拟合普朗特-迈耶膨胀线法，但是这两种结构都是由火箭助推腔的设计方法发展而来，激光切割喷嘴尺寸要比火箭助推腔小的多，因此这些高阶曲线的拟合方法在小尺寸加工中，不仅成形难度大，而且加工精度低。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为CN200510095474.X的“一种新型激光切割头”。该设计依据拉瓦尔结构特性，采用富尔士流线拟合方法，具有较高的设计要求。但上述超音速喷嘴的设计方案，由于作为喷嘴超音速区域的发散段内壁是直线和高阶曲线的组合，这样不但增加了加工难度，而且很难保证超音速流的平稳性，尤其是喉部和发散段的连接是直线段，不能保证壁面边界层的连续性，也不可能保证超音速流在管内分布均匀，流行平行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提供一种用于激光切割的超音速喷嘴，其中发散段用大直径圆弧来代替现有的复杂曲线，这样的设计不仅可以极大降低加工难度，而且能够保证加工精度，提高切割效率。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：平行段、收敛段、喉部、发散段，这四部分为一相通的整体，其中平行段进口和外部激光器气腔连接储存高压气体，平行段出口连接收敛段的进口，收敛段出口连接喉部，喉部另一侧为发散段，喉部为设于收敛段与发散段之间的过渡截面。从平行段流出的高压气体，流经收敛段加速到跨声速流，再流经过喉部完成跨声速向超音速流的过渡，最后在发散段，超音速流继续扩张达到预定马赫数，并且引导超音速气流变得稳定均匀。

所述平行段和收敛段之间的外侧设有固定与密封结构，用于高压气体流场的密封与固定。

所述平行段进口端设有连接段，连接段为整个喷嘴与激光器气腔连接部分，采用螺纹连接。

所述收敛段，其形状为维多辛吉斯曲线状，保证流经喉部声速等值线垂直轴线，而且能在加速过程中尽可能消除回流，使气流加速达到音速，同时又保持流动的均匀与出流流线平行。

所述的平行段，其直径D₀依赖于喉部直径D_c， $D_0=D_c{\left[\frac{1}{M_0}(\frac{1+0.2M_0^2}{1.2}{)}^{\frac{k+1}{2(k-1)}}\right]}^{1/2},$ M₀为收敛段入口马赫数，一般选择M₀＝0.02～0.1，k是绝热系数，双原子气体为k＝1.4，多原子气体为k＝5/3，平行段长度L₀理论上是越长越好，但是通常受激光焦距的影响，一般L₀长度取10倍喉部直径D_c。

所述喉部最小直径由设计压力与环境压力定压比决定，喉部截面直径 $D_c=1.43\sqrt{\frac{V}{P_0+1}},$ 其中V为标准状况下切割气体的容积流，P₀为收敛段进口处气体压力。喉部的直径由去除切屑所需容积量和滞止压力确定。

所述的发散段分为两段，其中第一段由等熵条件下的布朗特-迈耶膨胀线确定，第二段按照简化荷尔(Hall)设计方法采用大直径圆弧使曲线斜率减小至0，一般定义圆弧直径大于圆弧所在管部直径的3倍以上为大直径圆弧。第一段位于喉部与第二段之间，两段光滑连接。

所述第一段，其形状曲线为 $\frac{R}{R_c}=1+x\tan \mathrm{\α}-A\tan \mathrm{\α}\arctan [\frac{x/R_c}{A}+0.03{\left(\frac{x}{A}\right)}^4],$ 其中： $A=\frac{2}{\mathrm{\π}}(\cot \mathrm{\α}-3.686\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}-\frac{0.48}{\sin (\mathrm{\α}/2)}+0.0048),$ α为曲线任一点x处的切线与x轴的夹角，x轴是喷嘴的中心轴线，α最大值在[9°，16°]之间，此时最大值处x＝L_t，即发散段第一段结束，α在x＝L_t处的具体大小由发散段出口直径与第二段曲线的连接关系确定；

所述第二段由大直径圆弧使α由最大值过渡为0，此时直径R_t＝4～5D₁，由数值方法优化获得。

现有超音速喷嘴的喉部设计主要是依据富尔士(Foelsch)方法以大直径圆弧过渡，而后以直线联结发散段，但是这种方法往往不能保证壁面边界层生长的连续性，而且也会对发散段流场产生不良影响。本发明把喉部和发散段一体化，而把发散段分为光滑连结的两段，不仅能保证气流均匀加速，而且保证了壁面边界层生长的连续性。

与现有技术相比，本发明喉部为设于收敛段与发散段之间的过渡截面，超音速流的实现全部由发散段完成，发散段结构不仅保证出流均匀，流线平行，而且可保证壁面边界层连续。本发明的发散段用大直径圆弧来代替复杂曲线，这样的设计不仅可以极大降低加工难度，而且能够保证加工精度。而且本发明进行切割时，切割效果良好，速度高，切割质量好，切缝下边缘没有挂渣。特别在加工难加工金属时，本发明可以有效的吹走熔融金属和其他高黏度渣物，提高切割质量和切割效率。和传统锥形收敛结构喷嘴相比，当工作压力为9.7bar，喷嘴与工件间距0.8mm时，本发明喷嘴将切割速度提高40％，或切割厚度增加2倍时，仍能获得比传统结构喷嘴良好的加工质量。

附图说明

图1为本发明喷嘴结构剖视示意图

图2为本发明喷嘴内壁曲线结构示意图

图3为本发明收敛段曲线示意图

图4为本发明发散段总体曲线示意图

图5为本发明发散段第一段曲线示意图

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：平行段1、收敛段2、喉部3、发散段4，这四部分为一相通的整体，其中平行段1进口和外部激光器气腔连接储存高压气体，平行段1出口连接收敛段2的进口，收敛段2出口连接喉部3，喉部3另一侧为发散段4，喉部3为设于收敛段2与发散段4之间的过渡截面。高压气体平行段1与外部腔体通过螺纹连接储存高压气体，从平行段1流出高压气体，流经收敛段2加速到跨声速流，再流经过喉部3完成跨声速向超音速流的过渡，最后在发散段4，超音速流继续扩张达到预定马赫数，并且引导超音速气流变得稳定均匀。

所述平行段1和收敛段2之间的外侧设有固定与密封结构6，用于高压气体流场的密封与固定。

所述平行段1进口端设有连接段5，连接段5为整个喷嘴与激光器气腔连接部分，采用螺纹连接。

所述的平行段1，其直径D₀依赖于喉部3直径D_c， $D_0=D_c{\left[\frac{1}{M_0}(\frac{1+0.2M_0^2}{1.2}{)}^{\frac{k+1}{2(k-1)}}\right]}^{1/2},$ 一般选择M₀＝0.02～0.1。

所述喉部3和发散段4近壁流线光滑过渡。

如图2、图3所示，所述的收敛段2，其形状为多辛吉斯曲线状，保证气流加速达到音速，同时又保持流动的均匀与出流流线平行。维多辛吉斯曲线关系为：

$R=\frac{R_c}{\sqrt{1-[1-{\left(\frac{R_c}{R_0}\right)}^2]\frac{{(1-{\left(\frac{x}{L_1}\right)}^2)}^2}{{(1+\frac{{\left(\frac{x}{L_1}\right)}^2}{3})}^3}}}$

x是轴线上任意一点，L₁是收敛段的长度，R₀、R_c、R分别是收敛段2进口、出口与任意x处的截面半径。维多辛吉斯曲线的优点是能保证进入喉部3的气流均匀。

所述的喉部3是将亚音速转化为超音速的过渡界面区域。本实施例把喉部3与发散段4作为一体，喉部3为收敛段2和发散段4的过渡截面。喉部3最小直径由设计压力与环境压力定压比决定，喉部3截面直径为 $D_c=1.43\sqrt{\frac{V}{P_0+1}},$ V为标准状况下切割气体的容积流，P₀为图3中所示收敛段2进口处气体压力。喉部3的直径由去除切屑所需容积量和滞止压力确定。

如图4、图5所示，所述的发散段4是本发明喷嘴设计核心部分，发散段4的功能是通过气体的膨胀加速在喉部3已经达到声速的气流，直到获得满意的马赫数。超音速流的实现全部由发散段4完成。

所述发散段4设计分为两段，包括：第一段7和第二段8，第一段7位于喉部3与第二段8之间，两段光滑连接，即第二段8大直径圆弧起始角与第一段7曲线终止角相等，保证了超音速区壁面边界层不间断。第一段7由等熵条件下的布朗特-迈耶膨胀线确定，第二段8按照简化荷尔(Hall)设计方法采用大直径圆弧使曲线斜率减小至0。

所述第一段7，其形状曲线为 $\frac{R}{R_c}=1+x\tan \mathrm{\α}-A\tan \mathrm{\α}\arctan [\frac{x/R_c}{A}+0.03{\left(\frac{x}{A}\right)}^4],$ 其中 $A=\frac{2}{\mathrm{\π}}(\cot \mathrm{\α}-3.686\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}-\frac{0.48}{\sin (\mathrm{\α}/2)}+0.0048),$ α为曲线任一点x处的切线与x轴的夹角，x轴是喷嘴的中心轴线，α大小在[9°，16°]之间，具体大小由出口直径与第二段8曲线的连接关系确定，R为曲线任一点x处发散段第一段的内腔半径。

所述第二段8由大直径圆弧使α由最大值过渡为0，此时直径R_T＝4～5D₁。R_T为发散段第二段圆弧的半径，D₁是发散段出口直径，L_E指发散段第二段长度。

本实施例的平行段1与外部腔体通过螺纹连接储存高压气体，经收敛段2将高压气体加速到跨声速流，使气流马赫数达到1，经过喉部3完成跨声速向超音速流的过渡，而在发散段4超音速流继续扩张达到预定马赫数，由于发散段4的第一段7是由布朗特-迈耶膨胀线拟合而来，气体在膨胀加速过程中不会和固壁发生撞击，而产生回流，而是平稳向前推进，当气流马赫数接近预定马赫数时，气流进入发散段4第二段8，通过大直径圆弧引导超音速气流变得稳定均匀，使非平行轴线流线平稳过渡至轴线平线，而不会影响边界层生长的连续性。

应用实例：利用高压氮气切割不锈钢

本发明喷嘴设计出口马赫数为2.0878，不锈钢钢板厚度为4mm，牌号为316L，激光功率为2000W，喷嘴与工件之间的距离为0.8mm，气体压力为11.2bar，焦点到工件表面的距离为0.875mm，切割速度为分别取3.0m/min，4.0m/min，5.0m/min，切割试验结果如下表示：

切割速度(m/min)	上表面缝宽(mm)	下表面缝宽(mm)	倾斜角(°)	挂渣	粗糙度Ra(μm)
						3.0	0.26	0.2	0.4297	没有	2.1
4.0	0.24	0.19	0.3581	很少	2.6
						5.0	0.22	0.17	0.3581	很少	2.9

从上表中试验结果的比较可以看出。上下表面的切口宽度很小，同时倾角也很小，切口断面平整而且光滑。而利用传统的喷嘴切割4mm厚的不锈钢，喷嘴气体压力在17.6bar时才能把熔融金属及其夹渣从切缝中吹走，而且切口中存有毛刺，垂直度较差，所以用本设计的超音速喷嘴进行切割不仅能获得良好的切割质量，而且能减少气体消耗。

Claims (10)

1.一种用于激光切割的超音速喷嘴，包括：平行段、收敛段、喉部、发散段，这四部分为一相通的整体，其中平行段进口和外部激光器气腔连接储存高压气体，平行段出口连接收敛段的进口，收敛段出口连接喉部，喉部另一侧为发散段，其特征在于：所述喉部为设于收敛段与发散段之间的过渡截面，所述发散段包括第一段和第二段，两段光滑连接，第一段位于喉部与第二段之间，第一段由等熵条件下的布朗特一迈耶膨胀线确定，第二段按照简化荷尔设计方法采用大直径圆弧使曲线斜率减小至0。

2.根据权利要求1所述的用于激光切割的超音速喷嘴，其特征是，所述发散段的第一段，其形状曲线为：

$\frac{R}{R_c}=1+x\tan \mathrm{\α}-A\tan \mathrm{\α}\arctan [\frac{x/R_c}{A}+0.03{\left(\frac{x}{A}\right)}^4],$

其中 $A=\frac{2}{\mathrm{\π}}(\cot \mathrm{\α}-3.686\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}-\frac{0.48}{\sin (\mathrm{\α}/2)}+0.0048),$ α大小在[9°，16°]之间，α为曲线任一点x处的切线与x轴的夹角，x轴是喷嘴的中心轴线，R为曲线任一点x处发散段第一段的内腔半径，R_c是收敛段出口的截面半径。

3.根据权利要求1所述的用于激光切割的超音速喷嘴，其特征是，所述发散段的第二段由大直径圆弧使α由最大值过渡为0，此时直径R_T＝4～5D1，长度为L_E，α大小在[9°，16°]之间，α为曲线任一点x处的切线与x轴的夹角，R_T为发散段第二段圆弧的半径，D₁是发散段出口直径，L_E指发散段第二段长度。

4.根据权利要求1所述的用于激光切割的超音速喷嘴，其特征是，所述喉部，其最小直径由设计压力与环境压力定压比决定，喉部截面直径 $D_c=1.43\sqrt{\frac{V}{P_0+1}},$ 其中V为标准状况下切割气体的容积流，P₀为收敛段进口处气体压力。

5.根据权利要求1所述的用于激光切割的超音速喷嘴，其特征是，所述平行段和收敛段之间的外侧设有固定与密封结构，用于高压气体流场的密封与固定。

6.根据权利要求1或5所述的用于激光切割的超音速喷嘴，其特征是，所述平行段进口端设有连接段，连接段通过螺纹与激光器气腔连接部分。

7.根据权利要求1或5所述的用于激光切割的超音速喷嘴，其特征是，所述的平行段，其直径D₀依赖于喉部直径D_c， $D_0=D_c{\left[\frac{1}{M}{\left(\frac{1+0.2M_0^2}{1.2}\right)}^{\frac{k+1}{2(k-1)}}\right]}^{1/2},$ M₀为收敛段入口马赫数，M₀＝0.02～0.1，k是气体绝热系数。

8.根据权利要求1所述的用于激光切割的超音速喷嘴，其特征是，所述喉部和发散段近壁流线光滑过渡。

9.根据权利要求1所述的用于激光切割的超音速喷嘴，其特征是，所述收敛段，其形状为维多辛吉斯曲线状。

10.根据权利要求1所述的用于激光切割的超音速喷嘴，其特征是，所述大直径圆弧是指圆弧直径大于圆弧所在管部直径的3倍以上。

Images