本发明专利技术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Ｒ↓［０］与喉部半径Ｒ↓［ｃ］之比由收缩段入口马赫数Ｍ↓［０］、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Ｒ↓［１］与喉部半径Ｒ↓［ｃ］之比由扩张段出口马赫数Ｍ↓［１］、喉部马赫数Ｍ↓［ｃ］和气体热力学系数ｋ确定，当Ｒ↓［０］／Ｒ↓［ｃ］＝ｃｏｎｓｔ，Ｒ↓［１］／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。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种数控激光切割
的喷嘴，具体是一种用于数控激光切割 的简易折线縮放超音速喷嘴。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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縮 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。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术所述的超音速喷嘴包括平行段、收縮段、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，所述喉部是收縮段与扩张段之间的过渡截面， 喉部的设计是用来实现收縮段和扩张段的过渡，收縮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，收縮段入口半径^与喉部半径^之比由<formula>formula see original document page 5</formula>确定，扩张段出口半径《与喉部半径&之比由<formula>formula see original document page 5</formula>确定，其中M、 Me分别表示收縮段入口、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^^=1,当i^/《-co"W， / ,/A-co"W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。所述平行段和收縮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。 本专利技术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縮段得到加速，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。本专利技术的超音速喷嘴中，所述的平行段设计为直线段，其直径按照公式<formula>formula see original document page 5</formula>算出，^为平行段截面面积，4为喉部截<formula>formula see original document page 5</formula>面面积，M。为收縮段入口马赫数，k是特定气体的热力学系数，平行段长度4越长获得的来流越均匀，但是受激光焦深的限制，Z。一般取10倍喉部直径D。；收縮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A-1.43,f^ (mm),其中F (wVA)为标准状况下切割气体的容积流， 化+1尸。(紐/wm2)为收缩段进口处气体压力，P。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。本专利技术的超音速喷嘴中，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《=0. 8m m，变动扩张段长度L可知，当扩张段长度L大于1.6ram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^可有公式0-arctan^f^算出。本专利技术超声速喷嘴与现有喷嘴相比，喉部为收縮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。 本专利技术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。本专利技术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. 95咖时，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为本专利技术超音速喷嘴结构剖视图图2为本专利技术超音速喷嘴内壁曲线结构示意3为本专利技术超音速喷嘴收縮段曲线示意图图4为本专利技术超音速喷嘴扩张段总体曲线示意图具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明本实施例在以本专利技术技术方案为 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，但本专利技术的保护范围 不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例包括平行段l、收縮段2、喉部3、扩张段4，它们构成为一个连通的整体。平行段l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，收縮段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縮段2和扩张段4的过渡。从平行段1流出均匀 高压辅助气体，经过收縮段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和收縮 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，收縮段入口半径&与喉部半径&之比由收縮段入口马赫数M。、喉部马赫数M。和 气体热力学系数k确定，扩张段出口半径&与喉部半径A之比由扩张段出口马赫数M,、喉部马赫数^^和气体热力学系数k确定，当^/i^-CO"W， ^/A-CW7W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<formula>formula本文档来自技高网...
【技术保护点】
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Ｒ↓［０］与喉部半径Ｒ↓［ｃ］之比由＊＊＊确定，扩张段出口半径Ｒ↓［１］与喉部半径Ｒ↓［ｃ］之比由＊＊＊确定，其中Ｍ↓［０］、Ｍ↓［ｃ］、Ｍ↓［１］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Ｒ↓［０］／Ｒ↓［ｃ］＝ｃｏｎｓｔ，Ｒ↓［１］／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。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：胡俊，邱明勇，盛晓军，刘放，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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