CN101284333A - 用于数控激光切割的简易折线缩放超音速喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于数控激光切割的简易折线缩放超音速喷嘴，包括平行段、收缩段、喉部和扩张段。扩张段为直线段，收缩段入口半径R₀与喉部半径R_c之比由收缩段入口马赫数M₀、喉部马赫数M_c和气体热力学系数k确定，扩张段出口半径R₁与喉部半径R_c之比由扩张段出口马赫数M₁、喉部马赫数M_c和气体热力学系数k确定，当R₀/R_c＝const，R₁/R_c＝const时，在气体压力作用下，超音速喷嘴的出口马赫数将保持为一个固定值。本发明的超音速喷嘴进行数控激光切割时，经喷嘴喷出的气流均匀，质量流率和动量大，可以有效的吹走熔融金属和其他熔渣，切口窄而整齐，切缝下边缘没有挂渣，切割质量和切割效率显著提高。

Description

用于数控激光切割的简易折线缩放超音速喷嘴

技术领域

本发明涉及一种数控激光切割技术领域的喷嘴，具体是一种用于数控激光切割的简易折线缩放超音速喷嘴。

背景技术

在数控激光切割过程中，喷嘴是激光切割的关键部件之一，用来作为高能激光束和辅助气体的公共通道。激光切割过程中，辅助气体一方面将熔融金属从切缝中吹除，另一方面使切口附近的金属得以快速冷却，从而减少挂渣和减小热影响区。因此，良好的喷嘴设计不但能有效保证切割质量，而且能大幅度提高切割效率。

目前切割生产中应用的较广的是会聚型喷嘴，虽然它们结构简单，加工容易，但在用高压气体切割中厚板的时候，切口附近的气体中会产生激波现象，严重恶化出口气体的动力学性能，气体的紊流度增大，流场结构对喷嘴和工件之间的距离变化非常敏感，有效切割区域明显减小，切割效率和切割质量降低。

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”和申请号为CN200710044903.X的“用于激光切割的超音速喷嘴”发现，对于超音速喷嘴最重要的扩张段的设计，前者采用富尔士(Foelsch)流线拟合，后者采用简化荷尔(Hall)设计方法的高次曲线拟合，喷嘴内壁曲线都非常复杂，难以加工制造。

发明内容

本发明为了克服上述缺陷和不足，设计了一种用于数控激光切割的简易折线缩放超音速喷嘴，其中扩张段采用直线代替，这样设计不但使得加工容易，而且有效保证出口气体的动力学性能，提高切割质量和切割效率。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述的超音速喷嘴包括平行段、收缩段、喉部和扩张段四个部分，它们构成一个连通的整体，平行段入口和外部激光器气腔连接以便高压辅助气体进入，平行段出口连接收缩段的入口，收缩段出口连接喉部，喉部另一侧连接扩张段入口，所述喉部是收缩段与扩张段之间的过渡截面，喉部的设计是用来实现收缩段和扩张段的过渡，收缩段出口经喉部过渡到扩张段入口。扩张段为直线段，辅助气体经扩张段后作用于激光切割切缝处，将熔融金属和其它废渣吹除。扩张段为直线段，收缩段入口半径R₀与喉部半径R_c之比由 ${\left(\frac{R_0}{R_c}\right)}^2=\frac{M_c}{M_0}{\left[\frac{1+\frac{k-1}{2}{M_0}^2}{1+\frac{k-1}{2}{M_c}^2}\right]}^{\frac{k+1}{2(k-1)}}$ 确定，扩张段出口半径R₁与喉部半径R_c之比由 ${\left(\frac{R_1}{R_c}\right)}^2=\frac{M_c}{M_1}{\left[\frac{1+\frac{k-1}{2}{M_1}^2}{1+\frac{k-1}{2}{M_c}^2}\right]}^{\frac{k+1}{2(k-1)}}$ 确定，其中M₀、M_c、M₁分别表示收缩段入口、喉部和扩张段出口的马赫数，k为气体热力学系数，双原子气体k＝1.4，多原子气体k＝5/3，喉部的马赫数M_c＝1，当R₀/R_c＝const，R₁/R_c＝const时，在气体压力作用下，超音速喷嘴的出口马赫数保持为一个固定值。

所述平行段和收缩段之间的外部设有密封垫片，用来固定喷嘴和密封高压气体。

本发明的超音速喷嘴工作时，高压辅助气体经过平行段成为均匀的气流，从平行段流出的均匀高压辅助气体经过收缩段得到加速，到达喉部正好达到声速，最后经过扩张段，超声速气流继续加速到设计的马赫数，得到超声速气流。

本发明的超音速喷嘴中，所述的平行段设计为直线段，其直径按照公式 $D_0=D_c\sqrt{\frac{A_0}{A_c}}=D_c\sqrt{\frac{1}{M_0}{\left(\frac{1+\frac{k-1}{2}{M_0}^2}{1+\frac{k-1}{2}}\right)}^{\frac{k+1}{2(k-1)}}}$ 算出，A₀为平行段截面面积，A_c为喉部截面面积，M₀为收缩段入口马赫数，k是特定气体的热力学系数，平行段长度L₀越长获得的来流越均匀，但是受激光焦深的限制，L₀一般取10倍喉部直径D_c；收缩段的形状为维多辛吉斯曲线状；喉部直径取决于喷嘴入口气体压力和环境压力，喉部直径按照 $D_c=1.43\sqrt{\frac{V}{P_0+1}}\left(\mathrm{mm}\right),$ 其中V(m³/h)为标准状况下切割气体的容积流，P₀(kg/mm²)为收缩段进口处气体压力，P₀太大时会使喉部直径太小，喉部直径过小时会导致高能激光束烧坏喷嘴壁面。

本发明的超音速喷嘴中，所述扩张段为了便于加工制造，采用合理长度的直线段代替现有超音速喷嘴结构中阶次较高的复杂曲线。扩张段出口半径取为R₁＝0.8mm，变动扩张段长度L可知，当扩张段长度L大于1.6mm时，速度、压力将趋于固定值，当L小于1.6mm，出口中心的总能随L增大而减小。为了保证压力尽可能转化为动能，同时保证出流状态参数稳定、均匀，扩张段长度应保证压力和速度处于稳定值。为了减小管路损失，扩张段长度越小越好，L＝1.6mm为最合理长度。扩张段长度和出口半径确定后，出口倾斜角θ可有公式 $\mathrm{\θ}=\arctan \frac{{2R}_1-D_c}{2L}$ 算出。

本发明超声速喷嘴与现有喷嘴相比，喉部为收缩段与扩张段之间的过渡截面，超音速流的实现全部由扩张段完成，扩张段结构能保证出流均匀整齐，流线平行。本发明的扩张段采用合理长度的直线段代替复杂曲线，这样的设计不但使得加工制造容易，而且能够保证数控切割精度和切割效率。本发明的超音速喷嘴进行数控激光切割时，切口处气流速度高，气流质量流率大，切割质量好，切缝窄而整齐，下边缘没有挂渣，切割效率也比较高。与传统锥形喷嘴相比，当工作压力为9.0bar，喷嘴与工件上表面之间的距离为0.9mm，焦点到工件表面的距离为0.95mm时，本发明喷嘴切割速度可提高35％左右，板材上下表面切缝宽度小于0.3mm，切缝倾斜角小于0.5°。

附图说明

图1为本发明超音速喷嘴结构剖视图

图2为本发明超音速喷嘴内壁曲线结构示意图

图3为本发明超音速喷嘴收缩段曲线示意图

图4为本发明超音速喷嘴扩张段总体曲线示意图

具体实施方式

下面结合附图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、收缩段2、喉部3、扩张段4，它们构成为一个连通的整体。平行段1入口连接激光器气腔以存储高压辅助气体，平行段1出口连接收缩段2的入口，收缩段2出口连接喉部3左侧，喉部3右侧连接扩张段4，喉部3的设计是用来实现收缩段2和扩张段4的过渡。从平行段1流出均匀高压辅助气体，经过收缩段2辅助气体得到加速，到达喉部3正好达到声速，最后经过扩张段4，超声速气流继续加速到设计的马赫数，得到超声速气流。平行段1入口设有连接段6，连接段6用螺纹连接整个喷嘴与激光器气腔。平行段1和收缩段2之间的外部设有密封垫片5，用来固定喷嘴和密封高压气体。扩张段为直线段，收缩段入口半径R₀与喉部半径R_c之比由收缩段入口马赫数M₀、喉部马赫数M_c和气体热力学系数k确定，扩张段出口半径R₁与喉部半径R_c之比由扩张段出口马赫数M₁、喉部马赫数M_c和气体热力学系数k确定，当R₀/R_c＝const，R₁/R_c＝const时，在气体压力作用下，超音速喷嘴的出口马赫数将保持为一个固定值。

以下对本实施例详细描述：

1、平行段

平行段1的作用是使气腔中流入的气体均匀，紊流度低，稳定段中每一点的速度只有轴向速度而无径向速度。平行段1设计为直线段，其直径按照公式 $D_0=D_c\sqrt{\frac{A_0}{A_c}}=D_c\sqrt{\frac{1}{M_0}{\left(\frac{1+\frac{k-1}{2}{M_0}^2}{1+\frac{k-1}{2}}\right)}^{\frac{k+1}{2(k-1)}}}$ 算出。稳定段的长度一般不小于10倍喉部直径D_c，以使进入的气流稳定。

2、收缩段

如图2、图3所示，收缩段2的形状为维多辛吉斯曲线，它保持气流均匀稳定，在收缩段2出口处气流流线平行，并使气流加速到声速。维多辛吉斯曲线方程为：

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

上式中R₀、R_c、R分别是收缩段2入口、出口与轴线上任意一点处的截面半径，L₁是收缩段轴向长度，x是轴线上任意一点与收缩段2入口之间的轴向距离。维多辛吉斯曲线能够保证喉部3入口处的气流均匀。

3、喉部

喉部3是将亚音速转化为超音速的过渡区域，喉部3采用圆弧与扩张段光滑连接，它的直径取决于喷嘴入口气体压力和环境压力，喉部3的直径按照 $D_c=1.43\sqrt{\frac{V}{P_0+1}}\left(\mathrm{mm}\right),$ 其中V(m³/h)为标准状况下切割气体的容积流，P₀(kg/mm²)为图3中收缩段2入口处气体压力。P₀太大时会使喉部3的直径太小，喉部3的直径过小时会导致高能激光束烧坏喷嘴壁面。

4、扩张段

如图4所示，扩张段4是本发明超音速喷嘴最为关键的结构，扩张段4的作用是使喉部3处的声速气流继续加速膨胀，以在扩张段4出口处达到超音速，从而获得良好的气体动力学性能。根据一维空气动力学，超音速喷嘴收缩段2、喉部3、扩张段4三个部分之间的状态参数可以用下面三个方程表示：

${\left(\frac{R_0}{R_c}\right)}^2=\frac{M_c}{M_0}{\left[\frac{1+\frac{k-1}{2}{M_0}^2}{1+\frac{k-1}{2}{M_c}^2}\right]}^{\frac{k+1}{2(k-1)}},$ ${\left(\frac{R_1}{R_c}\right)}^2=\frac{M_c}{M_1}{\left[\frac{1+\frac{k-1}{2}{M_1}^2}{1+\frac{k-1}{2}{M_c}^2}\right]}^{\frac{k+1}{2(k-1)}},$ $\frac{P_0}{P_1}={(1+\frac{k-1}{2}{M_1}^2)}^{\frac{k}{k-1}},$

其中M₀、M_c、M₁分别表示收缩段2入口、喉部3和扩张段4出口的马赫数，P₀、P_c、P₁分别表示收缩段2入口、喉部3和扩张段4出口的气体压力。当R₀/R_c＝const，R₁/R_c＝const时，在高压气体作用下，超音速喷嘴的出口马赫数将保持为一个固定值。给定喉部3的半径R_c＝0.6mm时，扩张段4出口半径R₁＝0.8mm，扩张段4的长度的确定对整个超音速喷嘴出口处气流的流场结构和动力学性能有至关重要的影响。变动扩张段4的长度L可知，当扩张段4的长度L大于1.6mm时，扩张段4出口中心的速度和压力将趋于固定值，当L小于1.6mm，扩张段4出口中心的总能随L增大而减小。为了保证压力尽可能转化为动能，同时保证出流状态参数稳定、均匀，扩张段4的长度应保证压力和速度处于稳定值。为了减小管路损失，扩张段4的长度越小越好，L＝1.6mm为最佳长度。扩张段4的长度和出口半径确定后，出口倾斜角θ可由公式 $\mathrm{\θ}=\arctan \frac{{2R}_1-D_c}{2L}$ 算出。

高压二氧化碳切割不锈钢应用情况：

用本发明的喷嘴切割厚度为3.0mm厚的不锈钢板材，牌号为304，辅助气体为二氧化碳，供气压力为9bar，激光功率为2500W，喷嘴与工件上表面之间的距离为0.9mm，焦点到工件表面的距离为0.95mm，切割速度为分别取2.5m/min，3.0m/min，3.5m/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)
						2.5	0.25	0.20	0.4775	少	2.6
3.0	0.24	0.19	0.4775	几乎没有	2.0
						3.5	0.24	0.18	0.5729	很少	2.5

从上表中试验结果看出。上下表面的切口宽度很小，倾角也很小，切缝与板材上表面垂直度高，切口断面粗糙度小。用传统锥型喷嘴切割3.0mm厚的不锈钢，辅助气体不但不能完全把熔融金属及其它熔渣从切缝中吹除，而且板材下表面挂渣多，倾斜角比较大。所以用本发明的超音速喷嘴进行数控激光切割能获得良好的切割质量和切割效率。

Claims (8)

1.一种用于数控激光切割的简易折线缩放超音速喷嘴，包括平行段、收缩段、喉部和扩张段四个部分，它们构成一个连通的整体，平行段入口和外部激光器气腔连接以便高压辅助气体进入，平行段出口连接收缩段的入口，收缩段出口连接喉部，喉部另一侧连接扩张段入口，其特征在于：扩张段为直线段，收缩段入口半径R₀与喉部半径R_c之比由 ${\left(\frac{R_0}{R_c}\right)}^2=\frac{M_c}{M_0}{\left[\frac{1+\frac{k-1}{2}{M_0}^2}{1+\frac{k-1}{2}{M_c}^2}\right]}^{\frac{k+1}{2(k-1)}}$ 确定，扩张段出口半径R₁与喉部半径R_c之比由 ${\left(\frac{R_1}{R_c}\right)}^2=\frac{M_c}{M_1}{\left[\frac{1+\frac{k-1}{2}{M_1}^2}{1+\frac{k-1}{2}{M_c}^2}\right]}^{\frac{k+1}{2(k-1)}}$ 确定，其中M₀、M_c、M₁分别表示收缩段入口、喉部和扩张段出口的马赫数，k为气体热力学系数，双原子气体k＝1.4，多原子气体k＝5/3，喉部的马赫数M_c＝1，当R₀/R_c＝const，R₁/R_c＝const时，在气体压力作用下，超音速喷嘴的出口马赫数保持为一个固定值。

2.根据权利要求1所述的用于数控激光切割的简易折线缩放超音速喷嘴，其特征是，所述扩张段与喉部为圆弧光滑连接。

3.根据权利要求1或2所述的用于数控激光切割的简易折线缩放超音速喷嘴，其特征是，所述喉部，其直径取决于喷嘴入口气体压力和环境压力，喉部直径按照 $D_c=1.43\sqrt{\frac{V}{P_0+1}},$ 其中V(m³/h)为标准状况下切割气体的容积流，P₀(kg/mm²)为收缩段进口处气体压力。

4.根据权利要求1所述的用于数控激光切割的简易折线缩放超音速喷嘴，其特征是，所述平行段为直线段，其直径D₀结合喉部直径D_c按照公式 $D_0=D_c\sqrt{\frac{A_0}{A_c}}=D_c\sqrt{\frac{1}{M_0}{\left(\frac{1+\frac{k-1}{2}{M_0}^2}{1+\frac{k-1}{2}}\right)}^{\frac{k+1}{2(k-1)}}}$ 算出，式中，A₀为平行段截面面积，A_c为喉部截面面积，M₀为收缩段入口马赫数，k是特定气体的热力学系数。

5.根据权利要求1或2或4所述的用于数控激光切割的简易折线缩放超音速喷嘴，其特征是，所述喉部半径R_c＝0.6mm时，扩张段出口半径为R₁＝0.8mm，扩张段的轴向长度L＝1.6mm，此时喷嘴出口中心具有稳定的总能和最小的管路损失。

6.根据权利要求5所述的用于数控激光切割的简易折线缩放超音速喷嘴，其特征是，所述的扩张段，其出口倾斜角θ根据公式 $\mathrm{\θ}=\arctan \frac{{2R}_1-D_c}{2L}$ 算出，其中喉部直径D_c，扩张段长度L，扩张段出口半径R₁。

7.根据权利要求1所述的用于数控激光切割的简易折线缩放超音速喷嘴，其特征是，所述收缩段的形状为维多辛吉斯曲线。

8.根据权利要求1所述的用于数控激光切割的简易折线缩放超音速喷嘴，其特征是，所述平行段和收缩段之间的外部设有密封垫圈，用于喷嘴的固定和高压气体的密封。

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