Dizajn mlaznice mašine za lasersko rezanje

Dizajn mlaznice i tehnologija kontrole protoka zraka: Prilikom laserskog rezanja čelika, kisik i fokusirani laserski snop probijaju se kroz mlaznicu do materijala koji treba rezati, formirajući tako snop protoka zraka. Osnovni zahtjev protoka zraka je da protok plina u rez treba biti velik i brzina treba biti velika, tako da dovoljno oksidacije može učiniti materijal za urezivanje potpuno egzotermnom reakcijom; Istovremeno, postoji dovoljan zamah da se rastopljeni materijal izduva. Dakle, pored kvaliteta grede i njene kontrole direktno utiču na kvalitet rezanja, dizajn mlaznice i kontrola protoka vazduha (kao što je pritisak mlaznice, položaj obratka u struji vazduha, itd.) takođe veoma važni faktori.
Mlaznica koja se koristi za lasersko rezanje ima jednostavnu strukturu, odnosno konusnu rupu sa malim okruglim otvorom na kraju (slika 4). Obično je dizajniran eksperimentom i greškom. Budući da je mlaznica uglavnom napravljena od bakra, male veličine, to je ranjiv dio i treba ga često mijenjati, tako da se proračun i analiza dinamike fluida ne vrše. U upotrebi sa strane mlaznice kroz određeni pritisak Pn (manometrični pritisak Pg) gas, koji se naziva pritisak mlaznice, od izlaza mlaznice, nakon određene udaljenosti do površine obratka, pritisak se naziva pritisak rezanja Pc, i na kraju ekspanziju gasa na atmosferski pritisak Pa. Istraživački rad pokazuje da se sa povećanjem Pn povećava brzina strujanja vazduha, a povećava se i Pc.
Može se izračunati po sljedećoj formuli: V=8.2d2(Pg+1)
V- Brzina protoka gasa L/min
d- Prečnik mlaznice mm
Pg- Pritisak mlaznice (manometarski pritisak) bar
Postoje različiti pragovi pritiska za različite gasove, kada pritisak mlaznice pređe ovu vrednost, protok gasa je normalan kosi udarni talas, a brzina protoka gasa prelazi iz podzvučnog u nadzvučni. Ovaj prag je povezan sa odnosom Pn i Pa i stepenom slobode (n) molekula gasa: na primer, n=5 kiseonika i vazduha, tako da je njegov prag Pn=1bar×(1,2 )3.5=1.89bara. Kada je pritisak mlaznice veći Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2 (Pn; 4bar), normalni kosi udarni talas strujanja vazduha postaje pozitivan udar talasa, pritisak rezanja Pc se smanjuje, brzina strujanja vazduha se smanjuje, a na površini obratka se formira vrtložna struja koja slabi efekat strujanja vazduha koji uklanja rastopljeni materijal i utiče na brzinu rezanja. Zbog toga se koristi mlaznica sa konusnom rupom sa malom okruglom rupom na kraju, a pritisak kiseonika u mlaznici je često ispod 3 bara.
U cilju daljeg poboljšanja brzine laserskog rezanja, mlaznica tipa skale, Laval mlaznica, može biti dizajnirana i proizvedena prema principu aerodinamike, bez stvaranja pozitivnog udarnog vala pod pretpostavkom povećanja pritiska mlaznice. Struktura prikazana na slici 4 može se koristiti za praktičnost proizvodnje. Laserski centar Univerziteta u Hanoveru, Njemačka, koristio je laser od 500WCO2 sa žižnom daljinom sočiva od 2,5" i izvršio testove sa pinhole mlaznicom i Laval mlaznicom, kao što je prikazano na slici 4. Rezultati ispitivanja su prikazani na slici 5, koji respektivno predstavljaju funkcionalni odnos između hrapavosti površine reza Rz i brzine rezanja Vc mlaznica NO2, NO4 i NO5 pod različitim pritiscima kisika. Iz slike se može vidjeti da brzina rezanja mlaznice za male otvore NO2 može doseći 2,75m/min kada je Pn 400Kpa (ili 4bar) (debljina ploče od ugljičnog čelika je 2mm). Brzina rezanja NO4 i NO5 Laval mlaznica može doseći 3,5m/min i 5,5m/min kada je Pn 500Kpa do 600Kpa. Treba napomenuti da je pritisak rezanja Pc funkcija rastojanja između radnog komada i mlaznice Budući da se kosi udarni val reflektuje mnogo puta na granici toka plina, pritisak rezanja se periodično mijenja.
Prvo područje visokog pritiska rezanja je blizu izlaza mlaznice, udaljenost između površine radnog komada i izlaza mlaznice je oko 0.5~1.5mm, a pritisak rezanja Pc je velik i stabilan, što je proces parametar koji se obično koristi u industrijskoj proizvodnji. Drugo područje najvećeg pritiska rezanja je oko 3~3,5 mm od izlaza mlaznice, a pritisak rezanja Pc je također velik, što također može postići dobre rezultate, a pogoduje zaštiti sočiva i poboljšanju njegovog vijeka trajanja. Ostala područja visokog pritiska rezanja na krivulji ne mogu se koristiti jer su previše udaljena od izlaza mlaznice da bi odgovarala fokusiranom snopu.