激光切割中高壓輔助氣體流場分析與噴嘴結構改進.pdf

1、激光切割作為一種高效、高質量的板材熱切割方式，正在得到越來越廣泛的應用。激光切割的實現(xiàn)過程是高能激光束與輔助氣體相互作用的結果，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量的重要因素。合理的輔助氣體類型與流場結構不僅能提高加工能力，而且使熱影響區(qū)限制在一個特定的范圍內，保證了良好的加工質量。 本文在上海市科委兩項重點

2、科技攻關項目的支持下，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構，根據(jù)噴嘴超音速出流的空氣動力學原理對現(xiàn)有的超音速噴嘴進行了結構改進。 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，之后詳細描述了輔助氣體在激光切割中的動力學作用過程，并建立了輔助氣體作用過程的解析關系。通過分析高壓輔助氣體流場結構，建立了超音速流場中狀態(tài)參數(shù)以及動力學特性在激波前后的數(shù)學關系，最后對計算流體力學中

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行了分析，建立了馬赫盤與出口參數(shù)之間的關系模型。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算，詳細分析了高壓輔助氣體自由射流場中的典型結構和特征波面。 將輔助氣體與工件之間相互作用關系描述為軸對稱超音速湍流撞擊射流過程，并采用基于結果的自適應算法對激光切割過程中的軸對稱撞擊射流進行了仿真計算。揭示了氣體射流與工件相互作用時

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系，用以指導切割參數(shù)的優(yōu)化。 最后介紹了兩種改進的超音速噴嘴，一種為改進的拉瓦爾結構，另一種是簡易的折線結構。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行分析，詳細比較了兩種噴嘴射流的動力學特性，揭示了兩種噴嘴動力學性能的