Projeto de bico de máquina de corte a laser

Design do bico e tecnologia de controle de fluxo de ar: Ao cortar aço a laser, oxigênio e feixe de laser focado são disparados através do bico para o material a ser cortado, formando assim um feixe de fluxo de ar. O requisito básico do fluxo de ar é que o fluxo de gás na incisão seja grande e a velocidade seja alta, para que oxidação suficiente possa tornar o material da incisão uma reação totalmente exotérmica; Ao mesmo tempo, há impulso suficiente para soprar o material fundido para fora. Portanto, além da qualidade do feixe e seu controle afetarem diretamente a qualidade do corte, o design do bico e o controle do fluxo de ar (como a pressão do bico, a posição da peça de trabalho no fluxo de ar, etc.) também são fatores muito importantes.
O bico usado para corte a laser adota uma estrutura simples, ou seja, um furo cônico com um pequeno furo redondo na extremidade (Figura 4). Geralmente é projetado por experimento e erro. Como o bico é geralmente feito de cobre, pequeno em tamanho, é uma parte vulnerável e precisa ser substituída com frequência, então o cálculo e a análise da dinâmica de fluidos não são realizados. Em uso do lado do bico através de uma certa pressão Pn (pressão manométrica Pg) de gás, chamada pressão do bico, da saída do bico, após uma certa distância da superfície da peça de trabalho, a pressão é chamada de pressão de corte Pc e, finalmente, a expansão do gás para a pressão atmosférica Pa. O trabalho de pesquisa mostra que com o aumento de Pn, a velocidade do fluxo de ar aumenta e o Pc também aumenta.
Pode ser calculado pela seguinte fórmula: V=8.2d2(Pg+1)
V- Vazão de gás L/min
d- Diâmetro do bico mm
Pg- Pressão do bico (pressão manométrica) bar
Existem diferentes limites de pressão para diferentes gases, quando a pressão do bico excede esse valor, o fluxo de gás é uma onda de choque oblíqua normal, e a taxa de fluxo de gás transita de subsônico para supersônico. Este limite está relacionado à razão de Pn e Pa e ao grau de liberdade (n) das moléculas de gás: por exemplo, n=5 de oxigênio e ar, então seu limite Pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar. Quando a pressão do bico é maior Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2 (Pn; 4bar), a onda de choque inclinada normal do fluxo de ar se torna uma onda de choque positiva, a pressão de corte Pc diminui, a velocidade do fluxo de ar diminui, e a corrente parasita é formada na superfície da peça de trabalho, o que enfraquece o efeito do fluxo de ar removendo o material fundido e afeta a velocidade de corte. Portanto, é utilizado o bico com um furo cônico com um pequeno furo redondo na extremidade, e a pressão do bico de oxigênio geralmente fica abaixo de 3 bar.
Para melhorar ainda mais a velocidade de corte a laser, um bico tipo escala, bico Laval, pode ser projetado e fabricado de acordo com o princípio da aerodinâmica, sem produzir uma onda de choque positiva sob a premissa de aumentar a pressão do bico. A estrutura mostrada na Figura 4 pode ser usada para a conveniência da fabricação. O Centro de Laser da Universidade de Hannover, Alemanha, usou um laser de 500WCO2 com uma distância focal de lente de 2,5", e realizou testes com um bico pinhole e um bico Laval, respectivamente, conforme mostrado na Figura 4. Os resultados do teste são mostrados na Figura 5, que representam respectivamente a relação funcional entre a rugosidade da superfície de incisão Rz e a velocidade de corte Vc dos bicos NO2, NO4 e NO5 sob diferentes pressões de oxigênio. Pode ser visto na figura que a velocidade de corte do bico de pequeno furo NO2 pode atingir apenas 2,75m/min quando Pn é 400Kpa (ou 4bar) (a espessura da chapa de aço carbono é 2mm). A velocidade de corte dos bicos Laval NO4 e NO5 pode atingir 3,5m/min e 5,5m/min quando Pn é 500Kpa a 600Kpa. Deve-se notar que a pressão de corte Pc é uma função da distância entre a peça de trabalho e o bico. Como a onda de choque oblíqua é refletida muitas vezes no limite do fluxo de gás, a pressão de corte muda periodicamente.
A primeira área de alta pressão de corte fica próxima à saída do bico, a distância entre a superfície da peça de trabalho e a saída do bico é de cerca de 0.5~1.5mm, e a pressão de corte Pc é grande e estável, que é o parâmetro de processo comumente usado na produção industrial. A segunda área de maior pressão de corte fica a cerca de 3~3.5mm da saída do bico, e a pressão de corte Pc também é grande, o que também pode atingir bons resultados, e é propício para proteger a lente e melhorar sua vida útil. Outras áreas de alta pressão de corte na curva não podem ser usadas porque estão muito longe da saída do bico para corresponder ao feixe focado.