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    關(guān)鍵技術(shù)二
    噴嘴設(shè)計(jì)及控制技術(shù)
    激光切割鋼材時(shí),氧氣和聚焦的激光束是通過(guò)噴嘴射到被切材料處,從而形成一個(gè)氣流束。對(duì)氣流的基本要求是進(jìn)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(jìn)行放熱反應(yīng);同時(shí)又有足夠的動(dòng)量將熔融材料噴射吹出。因此除光束的質(zhì)量及其控制直接影響切割質(zhì)量外,噴嘴的設(shè)計(jì)及氣流的控制(如噴嘴壓力、工件在氣流中的位置等)也是十分重要的因素。如今激光切割用的噴嘴采用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu),即一錐形孔帶端部小圓孔。通常用實(shí)驗(yàn)和誤差方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于噴嘴一般用紫銅制造,體積較小,是易損零件,需經(jīng)常更換,因此不進(jìn)行流體力學(xué)計(jì)算與分析。在使用時(shí)從噴嘴側(cè)面通入一定壓力Pn(表壓為Pg)的氣體,稱噴嘴壓力,從噴嘴出口噴出,經(jīng)一定距離到達(dá)工件表面,其壓力稱切割壓力Pc,最后氣體膨脹到大氣壓力Pa。研究工作表明隨著Pn的增加,氣流流速增加,Pc也不斷增加。
    可用下列公式計(jì)算:V=8.2d2(Pg+1)
    V-氣體流速 L/min
    d-噴嘴直徑 mm
    Pg-噴嘴壓力(表壓)bar
    對(duì)于不同的氣體有不同的壓力閾值,當(dāng)噴嘴壓力超過(guò)此值時(shí),氣流為正常斜激波,氣流速?gòu)膩喴羲傧虺羲龠^(guò)渡。此閾值與Pn、Pa比值及氣體分子的自由度(n)兩因素有關(guān):如氧氣、空氣的n=5,因此其閾值Pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar。當(dāng)噴嘴壓力更高Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2時(shí)(Pn;4bar),氣流正常斜激波封變?yōu)檎げ?,切割壓力Pc下降,氣流速度減低,并在工件表面形成渦流,削弱了氣流去除熔融材料的作用,影響了切割速度。因此采用錐孔帶端部小圓孔的噴嘴,其氧氣的噴嘴壓力常在3bar以下。
    為進(jìn)一步提高激光切割速度,可根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理,在提高噴嘴壓力的前提下不產(chǎn)生正激波,設(shè)計(jì)制造一種縮放型噴嘴,即拉伐爾(Laval)噴嘴。為方便制造可采用如圖4的結(jié)構(gòu)。德國(guó)漢諾威大學(xué)激光中心使用500WCO2激光器,透鏡焦距2.5〃,采用小孔噴嘴和拉伐爾噴嘴分別作了試驗(yàn),見(jiàn)圖4。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示:分別表示NO2、NO4、NO5噴嘴在不同的氧氣壓力下,切口表面粗糙度Rz與切割速度Vc的函數(shù)關(guān)系。從圖中可以看出NO2小孔噴嘴在Pn為400Kpa(或4bar)時(shí)切割速度只能達(dá)到2.75m/min(碳鋼板厚為2mm)。NO4、NO5二種拉伐爾噴嘴在Pn為500Kpa到600Kpa時(shí)切割速度可達(dá)到3.5m/min和5.5m/min。應(yīng)指出的是切割壓力Pc還是工件與噴嘴距離的
    一類是大中型制造企業(yè),這些企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品中有大量板材需要下料、切料,并且具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)實(shí)力
    加工站
    另一類單位是加工站(國(guó)外稱Job Shop),加工站是專門(mén)對(duì)外承接激光加工業(yè)務(wù)的,自身無(wú)主導(dǎo)產(chǎn)品。它的存在一方面可滿足一些中小企業(yè)加工的需要;一方面在初期對(duì)推廣應(yīng)用激光切割技術(shù)起到宣傳示范的作用。1999年美國(guó)全國(guó)共有激光加工站2700家,其中51%從事激光切割工作。八十年代中國(guó)激光加工站主要從事激光熱處理工作,九十年代后,激光切割及攻站逐步增加。在此基礎(chǔ)上隨著中國(guó)大中型企業(yè)體制改革的深入和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng),越來(lái)越多的企業(yè)將采用CO2激光切割技術(shù)。
    從目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況分析,CO2激光切割廣泛應(yīng)用于12mm厚的低碳鋼板;6mm厚的不銹鋼板及;20mm厚的非金屬材料。對(duì)于三維空間曲線的切割,在汽車、航空工業(yè)中也開(kāi)始獲得了應(yīng)用。
    發(fā)展趨勢(shì)
    激光切割指采用激光發(fā)射性光束在產(chǎn)品上面打孔,根據(jù)水平移動(dòng)來(lái)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的縫隙稱為激光切割,激光可以在多產(chǎn)品材料上面切割,如亞克力、刀模板、布料、皮革等行業(yè)都能運(yùn)用激光進(jìn)行切割,因此激光切割是一種在多行業(yè)切割的新型方案。對(duì)于這樣一種新型的切割方法,相對(duì)于傳統(tǒng)切割有著什么樣的優(yōu)勢(shì)呢,下面光博士帶您分析下。
    激光是利用物質(zhì)激發(fā)產(chǎn)生光,這種光帶有強(qiáng)烈的溫度,在接觸材料時(shí)候,能夠迅速的在材料表面融化,形成打孔,根據(jù)對(duì)位對(duì)點(diǎn)的移動(dòng)形成了切割,因此這樣的一種切割方法相對(duì)于傳統(tǒng)的切割方法,縫隙更小,更能夠省去大部分材料,然而根據(jù)切割效果來(lái)定義分析,根據(jù)激光進(jìn)行切割的材料,其切割效果能夠滿意,精準(zhǔn)度又高,這是繼承了激光的優(yōu)勢(shì),也是普通切割方式不能夠媲美的。
    相對(duì)于傳統(tǒng)切割方式中,激光切割更易懂、易學(xué)、在商家需求的加工效果,速度方面都有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì),因此相信在未來(lái)的切割方式選擇中,激光切割機(jī)將是大眾的需求。
    關(guān)鍵技術(shù)一
    CO2激光切割的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是光、機(jī)、電一體化的綜合技術(shù)。
    激光束的參數(shù)、機(jī)器與數(shù)控系統(tǒng)的性能和精度都直接影響激光切割的效率和質(zhì)量。特別是對(duì)于切割精度較高或厚度較大的零件,必須掌握和解決以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù):
    氧化熔化
    熔化切割一般使用惰性氣體,如果代之以氧氣或其它活性氣體,材料在激光束的照射下被點(diǎn)燃,與氧氣發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生另一熱源,稱為氧化熔化切割。具體描述如下:
    ⑴材料表面在激光束的照射下很快被加熱到燃點(diǎn)溫度,隨之與氧氣發(fā)生激烈的燃燒反應(yīng),放出大量熱量。在此熱量作用下,材料內(nèi)部形成充滿蒸汽的小孔,而小孔的周圍為熔融的金屬壁所包圍。
    ⑵燃燒物質(zhì)轉(zhuǎn)移成熔渣控制氧和金屬的燃燒速度,同時(shí)氧氣擴(kuò)散通過(guò)熔渣到達(dá)點(diǎn)火前沿的快慢也對(duì)燃燒速度有很大的影響。氧氣流速越高,燃燒化學(xué)反應(yīng)和去除熔渣的速度也越快。當(dāng)然,氧氣流速不是越高越好,因?yàn)榱魉龠^(guò)快會(huì)導(dǎo)致切縫出口處反應(yīng)產(chǎn)物即金屬氧化物的快速冷卻,這對(duì)切割質(zhì)量也是不利的。
    ⑶顯然,氧化熔化切割過(guò)程存在著兩個(gè)熱源,即激光照射能和氧與金屬化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱能。據(jù)估計(jì),切割鋼時(shí),氧化反應(yīng)放出的熱量要占到切割所需全部能量的60%左右。
    很明顯,與惰性氣體比較,使用氧作輔助氣體可獲得較高的切割速度。
    ⑷在擁有兩個(gè)熱源的氧化熔化切割過(guò)程中,如果氧的燃燒速度高于激光束的移動(dòng)速度,割縫顯得寬而粗糙。如果激光束移動(dòng)的速度比氧的燃燒速度快,則所得切縫狹而光滑。

    激光的特點(diǎn)
    (一)定向發(fā)光
      普通光源是向四面八方發(fā)光。要讓發(fā)射的光朝一個(gè)方向傳播,需要給光源裝上一定的聚光裝置,如汽車的車前燈和探照燈都是安裝有聚光作用的反光鏡,使輻射光匯集起來(lái)向一個(gè)方向射出。激光器發(fā)射的激光,天生就是朝一個(gè)方向射出,光束的發(fā)散度極小,大約只有0.001弧度,接近平行。1962年,人類第一次使用激光照射月球,地球離月球的距離約38萬(wàn)公里,但激光在月球表面的光斑不到兩公里。若以聚光效果很好,看似平行的探照燈光柱射向月球,按照其光斑直徑將覆蓋整個(gè)月球。
    (二)亮度極高
      在激光發(fā)明前,人工光源中高壓脈沖氙燈的亮度最高,與太陽(yáng)的亮度不相上下,而紅寶石激光器的激光亮度,能超過(guò)氙燈的幾百億倍。因?yàn)榧す獾牧炼葮O高,所以能夠照亮遠(yuǎn)距離的物體。紅寶石激光器發(fā)射的光束在月球上產(chǎn)生的照度約為0.02勒克斯(光照度的單位),顏色鮮紅,激光光斑明顯可見(jiàn)。若用功率最強(qiáng)的探照燈照射月球,產(chǎn)生的照度只有約一萬(wàn)億分之一勒克斯,人眼根本無(wú)法察覺(jué)。激光亮度極高的主要原因是定向發(fā)光。大量光子集中在一個(gè)極小的空間范圍內(nèi)射出,能量密度自然極高。  激光的亮度與陽(yáng)光之間的比值是百萬(wàn)級(jí)的,而且它是人類創(chuàng)造的。  激光的顏色  激光的顏色取決于激光的波長(zhǎng),而波長(zhǎng)取決于發(fā)出激光的活性物質(zhì),即被刺激后能產(chǎn)生激光的那種材料。刺激紅寶石就能產(chǎn)生深玫瑰色的激光束,它應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,比如用于皮膚病的治療和外科手術(shù)。公認(rèn)最貴重的氣體之一的氬氣能夠產(chǎn)生藍(lán)綠色的激光束,它有諸多用途,如激光印刷術(shù),在顯微眼科手術(shù)中也是不可缺少的。半導(dǎo)體產(chǎn)生的激光能發(fā)出紅外光,因此我們的眼睛看不見(jiàn),但它的能量恰好能"解讀"激光唱片,并能用于光纖通訊。  激光分離技術(shù)  激光分離技術(shù)主要指激光切割技術(shù)和激光打孔技術(shù)。激光分離技術(shù)是將能量聚焦到微小的空間,可獲得105~1015W/cm2極高的輻照功率密度,利用這一高密度的能量進(jìn)行非接觸、高速度、高精度的加工方法。在如此高的光功率密度照射下,幾乎可以對(duì)任何材料實(shí)現(xiàn)激光切割和打孔。激光切割技術(shù)是一種擺脫傳統(tǒng)的機(jī)械切割、熱處理切割之類的全新切割法,具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更靈活的切割方法和更高的生產(chǎn)效率等特點(diǎn)。激光打孔方法作為在固體材料上加工孔方法之一,已成為一項(xiàng)擁有特定應(yīng)用的加工技術(shù),主要運(yùn)用在航空、航天與微電子行業(yè)中。

    應(yīng)用領(lǐng)域
    國(guó)外除上述應(yīng)用外,還在不斷擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。
    ⑴采用三維激光切割系統(tǒng)或配置工業(yè)機(jī)器人,切割空間曲線,開(kāi)發(fā)各種三維切割軟件,以加快從畫(huà)圖到切割零件的過(guò)程。
    ⑵為了提高生產(chǎn)效率,研究開(kāi)發(fā)各種專用切割系統(tǒng),材料輸送系統(tǒng),直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等,如今切割系統(tǒng)的切割速度已超過(guò)100m/min。
    ⑶為擴(kuò)展工程機(jī)械、造船工業(yè)等的應(yīng)用,切割低碳鋼厚度已超過(guò)30mm,并特別注意研究用氮?dú)馇懈畹吞间摰墓に嚰夹g(shù),以提高切割厚板的切口質(zhì)量。因此在中國(guó)擴(kuò)大CO2激光切割的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,解決新的應(yīng)用中一些技術(shù)難題仍然是工程技術(shù)人員的重要課題。
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