激光切割中高壓輔助氣體流場分析與噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn).pdf

1、激光切割作為一種高效、高質(zhì)量的板材熱切割方式，正在得到越來越廣泛的應(yīng)用。激光切割的實(shí)現(xiàn)過程是高能激光束與輔助氣體相互作用的結(jié)果，一方面高能光束使加工材料熔化甚至氣化，另一方面輔助氣體把熔融金屬和部分熱量從切口中排出去。在激光加工的所有工藝參數(shù)中，輔助氣體壓力與氣體流動特性是影響切割質(zhì)量的重要因素。合理的輔助氣體類型與流場結(jié)構(gòu)不僅能提高加工能力，而且使熱影響區(qū)限制在一個(gè)特定的范圍內(nèi)，保證了良好的加工質(zhì)量。 本文在上海市科委兩項(xiàng)重點(diǎn)

2、科技攻關(guān)項(xiàng)目的支持下，討論了目前激光切割的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，分析了激光切割過程中高壓輔助氣體的流場結(jié)構(gòu)，根據(jù)噴嘴超音速出流的空氣動力學(xué)原理對現(xiàn)有的超音速噴嘴進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。 論文首先介紹了激光切割中輔助氣體種類以及在激光切割中的作用，之后詳細(xì)描述了輔助氣體在激光切割中的動力學(xué)作用過程，并建立了輔助氣體作用過程的解析關(guān)系。通過分析高壓輔助氣體流場結(jié)構(gòu)，建立了超音速流場中狀態(tài)參數(shù)以及動力學(xué)特性在激波前后的數(shù)學(xué)關(guān)系，最后對計(jì)算流體力學(xué)中

3、常用的數(shù)值方法作了介紹。 對高壓輔助氣體自由射流進(jìn)行了分析，建立了馬赫盤與出口參數(shù)之間的關(guān)系模型。并通過對相同出口馬赫數(shù)不同出口靜壓力、相同出口靜壓力不同出口馬赫數(shù)兩種狀態(tài)下自由射流的仿真計(jì)算，詳細(xì)分析了高壓輔助氣體自由射流場中的典型結(jié)構(gòu)和特征波面。 將輔助氣體與工件之間相互作用關(guān)系描述為軸對稱超音速湍流撞擊射流過程，并采用基于結(jié)果的自適應(yīng)算法對激光切割過程中的軸對稱撞擊射流進(jìn)行了仿真計(jì)算。揭示了氣體射流與工件相互作用時(shí)

4、入射斜激波與正激波存在直接接觸和不接觸兩種狀態(tài)，指出了高壓氣體輔助激光切割第二加工區(qū)域的存在原因，并分析了加工參數(shù)對切口中動力學(xué)性能的影響，建立了高壓氣體輔助加工能力隨工件與噴嘴距離之間的變化關(guān)系，用以指導(dǎo)切割參數(shù)的優(yōu)化。 最后介紹了兩種改進(jìn)的超音速噴嘴，一種為改進(jìn)的拉瓦爾結(jié)構(gòu)，另一種是簡易的折線結(jié)構(gòu)。分別對兩種噴嘴的外流場中壓力分布以及馬赫盤位置變化等特性進(jìn)行分析，詳細(xì)比較了兩種噴嘴射流的動力學(xué)特性，揭示了兩種噴嘴動力學(xué)性能的