Ontwerp van het mondstuk van een lasersnijmachine

Spuitmondontwerp en luchtstroomregeltechnologie: Bij het lasersnijden van staal worden zuurstof en een gefocuste laserstraal door de spuitmond op het te snijden materiaal geschoten, waardoor een luchtstroomstraal ontstaat. De basisvereiste van de luchtstroom is dat de gasstroom in de insnijding groot moet zijn en de snelheid hoog, zodat voldoende oxidatie het insnijdingsmateriaal volledig exotherme reactie kan laten ondergaan; Tegelijkertijd is er voldoende momentum om het gesmolten materiaal eruit te blazen. Daarom zijn, naast de kwaliteit van de straal en de controle ervan, ook het ontwerp van de spuitmond en de controle van de luchtstroom (zoals de spuitmonddruk, de positie van het werkstuk in de luchtstroom, enz.) zeer belangrijke factoren.
De nozzle die wordt gebruikt voor lasersnijden, heeft een eenvoudige structuur, dat wil zeggen een conisch gat met een klein rond gat aan het uiteinde (Figuur 4). Het wordt meestal ontworpen door experiment en fout. Omdat de nozzle over het algemeen van koper is gemaakt, is het klein van formaat, een kwetsbaar onderdeel en moet het vaak worden vervangen, dus de vloeistofdynamicaberekening en -analyse worden niet uitgevoerd. Bij gebruik vanaf de zijkant van de nozzle door een bepaalde druk Pn (manometerdruk Pg) gas, nozzledruk genoemd, vanaf de nozzle-uitlaat, na een bepaalde afstand tot het oppervlak van het werkstuk, wordt de druk snijdruk Pc genoemd, en ten slotte de gasuitbreiding tot de atmosferische druk Pa. Het onderzoekswerk toont aan dat met de toename van Pn de luchtstroomsnelheid toeneemt en de Pc ook toeneemt.
Dit kan worden berekend met de volgende formule: V=8.2d2(Pg+1)
V- Gasstroomsnelheid L/min
d- Mondstukdiameter mm
Pg- Sproeierdruk (manometerdruk) bar
Er zijn verschillende drukdrempels voor verschillende gassen. Wanneer de spuitmonddruk deze waarde overschrijdt, is de gasstroom een ​​normale schuine schokgolf en gaat de gasstroomsnelheid over van subsonisch naar supersonisch. Deze drempel is gerelateerd aan de verhouding van Pn en Pa en de vrijheidsgraad (n) van gasmoleculen: bijvoorbeeld n=5 van zuurstof en lucht, dus de drempelwaarde is Pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar. Wanneer de spuitmonddruk hoger is Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2 (Pn; 4bar), wordt de normale schuine schokgolf van de luchtstroom een ​​positieve schokgolf, neemt de snijdruk Pc af, neemt de luchtstroomsnelheid af en wordt de wervelstroom gevormd op het oppervlak van het werkstuk, wat het effect van de luchtstroom die het gesmolten materiaal verwijdert verzwakt en de snijsnelheid beïnvloedt. Daarom wordt er gebruik gemaakt van een mondstuk met een kegelvormig gat met aan het uiteinde een klein rond gaatje. De druk van de zuurstof in het mondstuk ligt vaak onder de 3 bar.
Om de lasersnijsnelheid verder te verbeteren, kan een schaaltype nozzle, Laval nozzle, worden ontworpen en vervaardigd volgens het principe van aerodynamica, zonder een positieve schokgolf te produceren onder de premisse van het verhogen van de nozzledruk. De structuur zoals weergegeven in Figuur 4 kan worden gebruikt voor het gemak van de productie. Het Lasercentrum van de Universiteit van Hannover, Duitsland, gebruikte een 500WCO2-laser met een lensbrandpuntsafstand van 2,5", en voerde tests uit met respectievelijk een pinhole-spuitmond en een Laval-spuitmond, zoals weergegeven in Afbeelding 4. De testresultaten worden weergegeven in Afbeelding 5, die respectievelijk de functionele relatie weergeven tussen de ruwheid van het insnijdingsoppervlak Rz en de snijsnelheid Vc van NO2-, NO4- en NO5-spuitmonden onder verschillende zuurstofdrukken. Uit de afbeelding blijkt dat de snijsnelheid van de NO2-spuitmond met kleine gaten slechts 2,75 m/min kan bereiken wanneer Pn 400 Kpa (of 4 bar) is (de dikte van de koolstofstalen plaat is 2 mm). De snijsnelheid van NO4- en NO5 Laval-spuitmonden kan 3,5 m/min en 5,5 m/min bereiken wanneer Pn 500 Kpa tot 600 Kpa is. Opgemerkt moet worden dat de snijdruk Pc een functie is van de afstand tussen het werkstuk en de spuitmond. Omdat de schuine schokgolf vele malen wordt gereflecteerd bij de grens van de gasstroom, verandert de snijdruk periodiek.
Het eerste hoge snijdrukgebied ligt dicht bij de mondstukuitlaat, de afstand tussen het werkstukoppervlak en de mondstukuitlaat is ongeveer 0.5~1.5mm, en de snijdruk Pc is groot en stabiel, wat de procesparameter is die gewoonlijk wordt gebruikt in industriële productie. Het op één na hoogste snijdrukgebied is ongeveer 3~3.5mm van de mondstukuitlaat, en de snijdruk Pc is ook groot, wat ook goede resultaten kan opleveren, en bevorderlijk is voor het beschermen van de lens en het verbeteren van de levensduur. Andere hoge snijdrukgebieden op de curve kunnen niet worden gebruikt omdat ze te ver van de mondstukuitlaat liggen om overeen te komen met de gefocuste straal.