噴嘴參數對激光切割工藝的影響

激光切割加工是利用能量密度高度集中的激光束相對於工件之間進行運動完成切割任務的。在切割過程中，常常利用外加的輔助氣體，來改善加工條件。采用輔助氧氣能夠促使金屬表麵氧化，提高切割效率；通過增加吹氧壓力還可以使切縫減小，並防止熔化材料再黏結。切割易燃材料時，可采用惰性氣體，能有效防止材料燃燒。在一定壓力範圍內，增加輔助氣體的壓力，可增大切割厚度，提高切割效率。外加輔助氣體在噴嘴外的速度與壓力對切割過程有一定的影響，它的運動情況是影響激光切割質量的重要因素，使用何種噴嘴參數有利於切割加工是需要研究的問題。對氣流的基本要求是進入切口的氣流量要大，速度要高，以便足夠的氧化使切口材料充分進行放熱反應；同時又有足夠的動量將熔融材料噴射吹出。

下麵就以一種噴嘴的參數變化，利用fluent模擬來觀察其對激光切割加工的影響為方便研究，采用一種簡易噴嘴，主要包括兩部分，即前端的收縮段和後部的穩定段，其主要參數有收縮的錐角α以及穩定段的長度l為了研究噴嘴各個結構參數對氣體流場的影響，本文在相同的初始條件下，即進口總壓為0.6MPa的情況下，通過改變某一結構參數即收縮角和穩定段長度來進行模通過對以上的模擬結果進行分析，可以得出以下幾點：

（1）在總壓為0.6MPa時，第1種情況下錐形噴嘴的氣體出口壓力為0.2MPa，由於在出口處的壓力高於環境壓力，所以氣體繼續膨脹，在距出口約2mm處，壓力迅速衰減至0.09MPa，即最低點，最後壓力趨於穩定至環境壓力；

（2）在同樣情況下，氣體繼續膨脹以後，氣流速度增加，增至470m/s，然後減弱。最後在外流場中趨於減弱的情況，但由於出口速度較大，而且減慢的趨勢緩慢，所以在一段路徑後仍保持一定的高速，這一現象也有利於氣體以較高的速度進入窄切縫中，帶走加工時的切屑，保證加工的順利進行；

（3）在改變收縮角大小，出口處的直徑不變的情況下，隨著錐角的減小，速度略有增加，，可以看出最高點的速度達到480m/s，而出口處的壓力則略有下降，但整體曲線的變化趨勢基本相同；

（4）在改變穩定段長度的情況下，穩定段長度由3mm改為5mm，整體的噴嘴的長度由15mm變為18mm，這時壓力與速度的整體曲線走勢也無明顯差別，速度最高點處略有下降，為465m/s，但噴嘴出口壓力降低，約為0.15MPa。通過對以上的結果進行的分析，可以看出，在總壓一定、出口處直徑一定的情況，隨著收縮角與穩定段長度的變化，沿軸線方向上的壓力與速度的變化趨勢都大致相同，但收縮角的增大會導致氣流速度的降低，錐角越大，噴嘴內部氣體膨脹越不充分，而且出口的稍高壓力和低速度對後來流體都具有一定阻礙作用，而這也將影響切割質量，所以不建議采用大的錐角。而穩定段長度的改變對速度的影響則沒有那麽明顯，但會使得出口處的壓力減小，並且較長的穩定段會引起沿程阻力損失等能量消耗，所以穩定段長度的增加雖有利於均勻氣流的獲得，但對切割過程不利，同樣，不建議使用長的穩定段。

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