关于CO2激光切割机工业应用及技术介绍（三）：
　　3.喷嘴设计及气流控制技术：
　　激光切割钢材时,氧气和聚焦的激光束是通过喷嘴射到被切材料处,从而形成一个气流束。对气流的基本要求是进入切口的气流量要大,速度要高,以便足够的氧化使切口材料充分进行放热反应；同时又有足够的动量将熔融材料喷射吹出。因此除光束的质量及其控制直接影响切割质量外,喷嘴的设计及气流的控制（如喷嘴压力、工件在气流中的位置等）也是十分重要的因素。
　　目前激光切割用的喷嘴采用简朴的结构,即一锥形孔带端部小圆孔（如图4）。通常用实验和误差方法进行设计。因为喷嘴一般用
　　紫铜制造,体积较小,是易损零件,需常常更换,因此不进行流体力学计算与分析。在使用时从喷嘴侧面通入一定压力Pn(表压为Pg)的气体,称喷嘴压力,从喷嘴出口喷出,经一定间隔到达工件表面,其压力称切割压力Pc,最后气体膨胀到大气压力Pa。研究工作表明跟着Pn的增加,气流流速增加,Pc也不断增加。可用下列公式计算：
　　V=8.2d2(Pg+1)
　　V-气体流速       　L/min
　　d-喷嘴直径        　mm
　　Pg-喷嘴压力（表压）bar
　　对于不同的气体有不同的压力阈值,当喷嘴压力超过此值时,气流为正常斜激波,气流速从亚音速向超音速过渡。此阈值与Pn、Pa比值及气体分子的自由度（n）两因素有关：如氧气、空气的n=5,因此其阈值Pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar。当喷嘴压力更高Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2时（Pn>4bar）,气流正常斜激波封变为正激波,切割压力Pc下降,气流速度减低,并在工件表面形成涡流,削弱了气流去除熔融材料的作用,影响了切割速度。因此采用锥孔带端部小圆孔的喷嘴,其氧气的喷嘴压力常在3bar以下。
　　为进一步进步激光切割速度,可根据空气动力学原理,在进步喷嘴压力的条件下不产生正激波,设计制造一种缩放型喷嘴,即拉伐尔（Laval）喷嘴。为利便制造可采用如图4的结构。德国汉诺威大学激光中央使用500WCO2激光器,透镜焦距2.5〃,采用小孔喷嘴和拉伐尔喷嘴分别作了试验,见图4。试验结果如图5所示：分别表示NO2、NO4、NO5喷嘴在不同的氧气压力下,切口表面粗拙度Rz与切割速度Vc的函数关系。从图中可以看出NO2小孔喷嘴在Pn为400Kpa（或4bar）时切割速度只能达到2.75m/min（碳钢板厚为2mm）。NO4、NO5二种拉伐尔喷嘴在Pn为500Kpa到600Kpa时切割速度可达到3.5m/min和5.5m/min。
　　应指出的是切割压力Pc仍是工件与喷嘴间隔的函数。因为斜激波在气流的边界多次反射,使切割压力呈周期性的变化。
　　第一高切割压力区紧邻喷嘴出口,工件表面至喷嘴出口的间隔约为0.5~1.5mm,切割压力Pc大而不乱,是目前产业出产中切割手扳常用的工艺参数。第二高切割压力区约为喷嘴出口的3~3.5mm,切割压力Pc也较大,同样可以取得好的效果,并有利于保护透镜,进步其使用寿命。曲线上的其他高切割压力区因为距喷嘴出口太远,与聚焦光束难以匹配而无法采用。
　　综上所述,CO2激光器切割技术正在我国产业出产中得到越来越多的应用,国外正研究开发更高切割速度和更厚钢板的切割技术与装置。为了知足产业出产对质量和出产效率越来越高的要求,必需正视解决各种枢纽技术及执行质量尺度,以使这一新技术在我国获得更广泛的应用。

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