طراحی نازل دستگاه برش لیزری

طراحی نازل و فن آوری کنترل جریان هوا: هنگامی که فولاد برش لیزری، اکسیژن و پرتو لیزر متمرکز از طریق نازل به موادی که قرار است بریده شود شلیک می شود، بنابراین یک پرتو جریان هوا تشکیل می شود. نیاز اساسی جریان هوا این است که جریان گاز به داخل برش باید زیاد باشد و سرعت آن بالا باشد، به طوری که اکسیداسیون کافی بتواند ماده برش را کاملاً گرمازا کند. در عین حال، حرکت کافی برای دمیدن مواد مذاب وجود دارد. بنابراین، علاوه بر اینکه کیفیت تیر و کنترل آن مستقیماً بر کیفیت برش تأثیر می گذارد، طراحی نازل و کنترل جریان هوا (مانند فشار نازل، موقعیت قطعه کار در جریان هوا و ...) می باشد. همچنین عوامل بسیار مهم
نازل مورد استفاده برای برش لیزری ساختار ساده ای دارد، یعنی یک سوراخ مخروطی شکل با یک سوراخ گرد کوچک در انتهای آن (شکل 4). معمولاً با آزمایش و خطا طراحی می شود. از آنجایی که نازل به طور کلی از مس ساخته شده است، در اندازه کوچک است، یک قطعه آسیب پذیر است و نیاز به تعویض مکرر دارد، بنابراین محاسبه دینامیک سیالات و تجزیه و تحلیل انجام نمی شود. در استفاده از کنار نازل از طریق گاز فشار معین Pn (فشار گیج Pg) که فشار نازل نامیده می شود، از خروجی نازل، پس از طی مسافت معینی تا سطح قطعه کار، فشار را فشار برش Pc می نامند و در نهایت فشار برش را Pc می نامند. انبساط گاز تا فشار اتمسفر Pa. کار تحقیقاتی نشان می دهد که با افزایش Pn، سرعت جریان هوا افزایش می یابد و PC نیز افزایش می یابد.
می توان آن را با فرمول زیر محاسبه کرد: V=8.2d2(Pg+1)
V- دبی گاز L/min
د- قطر نازل میلی متر
Pg- فشار نازل (فشار گیج) بار
آستانه های فشار متفاوتی برای گازهای مختلف وجود دارد، زمانی که فشار نازل از این مقدار بیشتر شود، جریان گاز یک موج ضربه ای مورب معمولی است و سرعت جریان گاز از مافوق صوت به مافوق صوت تغییر می کند. این آستانه مربوط به نسبت Pn و Pa و درجه آزادی (n) مولکول های گاز است: برای مثال، n=5 اکسیژن و هوا، بنابراین آستانه آن Pn=1bar×(1.2) )3.5=1.89bar. وقتی فشار نازل Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2 (Pn؛ 4bar) بیشتر باشد، موج ضربه‌ای شیبدار معمولی جریان هوا به یک شوک مثبت تبدیل می‌شود. موج، فشار برش PC کاهش می یابد، سرعت جریان هوا کاهش می یابد و جریان گردابی بر روی سطح قطعه کار ایجاد می شود که اثر جریان هوا را در حذف مواد مذاب ضعیف می کند و بر سرعت برش تأثیر می گذارد. بنابراین، از نازل با سوراخ مخروطی با یک سوراخ گرد کوچک در انتهای آن استفاده می شود و فشار نازل اکسیژن اغلب زیر 3 بار است.
به منظور بهبود بیشتر سرعت برش لیزری، می توان یک نازل مقیاسی، نازل لاوال، بر اساس اصل آیرودینامیک، بدون ایجاد موج ضربه مثبت تحت فرض افزایش فشار نازل، طراحی و ساخت. ساختاری که در شکل 4 نشان داده شده است را می توان برای سهولت در ساخت استفاده کرد. مرکز لیزر دانشگاه هانوفر آلمان از یک لیزر 500WCO2 با فاصله کانونی عدسی 2.5 اینچ استفاده کرد و آزمایشاتی را به ترتیب با نازل پین هول و نازل لاوال انجام داد که در شکل 4 نشان داده شده است. نتایج آزمایش نشان داده شده است. در شکل 5 که به ترتیب نشان دهنده رابطه عملکردی بین زبری سطح برش Rz و سرعت برش Vc نازل های NO2، NO4 و NO5 تحت فشارهای مختلف اکسیژن است 2.75 متر در دقیقه زمانی که Pn 400 کیلو پاسکال (یا 4 بار) است (ضخامت صفحه فولاد کربنی 2 میلی متر است، سرعت برش نازل های NO4 و NO5 لاوال می تواند به 3.5 متر در دقیقه و 5.5 متر در دقیقه زمانی که Pn 500 کیلو پاسکال تا 600 کیلو پاسکال است) برسد. لازم به ذکر است که فشار برش Pc تابعی از فاصله بین قطعه کار و نازل است زیرا موج ضربه ای مورب بارها در مرز جریان گاز منعکس می شود، فشار برش به صورت دوره ای تغییر می کند.
اولین ناحیه فشار بالای برش نزدیک به خروجی نازل است، فاصله بین سطح قطعه کار و خروجی نازل حدود 0.5~1.5 میلی متر است، و فشار برش PC بزرگ و پایدار است، که این فرآیند است. پارامتری که معمولا در تولید صنعتی استفاده می شود. دومین ناحیه بالاترین فشار برش حدود 3 ~ 3.5 میلی متر از خروجی نازل است و فشار برش PC نیز بزرگ است که می تواند نتایج خوبی را نیز به دست آورد و برای محافظت از لنز و بهبود عمر مفید آن مفید است. سایر نواحی با فشار برش بالا روی منحنی را نمی توان استفاده کرد زیرا آنها بسیار دور از خروجی نازل هستند تا با پرتو متمرکز مطابقت داشته باشند.