Diseño de boquillas para máquinas de corte por láser

Diseño de boquilla y tecnología de control del flujo de aire: cuando se corta acero con láser, se dispara oxígeno y un haz láser enfocado a través de la boquilla hacia el material que se va a cortar, formando así un haz de flujo de aire. El requisito básico del flujo de aire es que el flujo de gas hacia la incisión debe ser grande y la velocidad debe ser alta, de modo que una oxidación suficiente pueda hacer que el material de la incisión reaccione completamente exotérmicamente; al mismo tiempo, hay suficiente impulso para expulsar el material fundido. Por lo tanto, además de que la calidad del haz y su control afectan directamente la calidad del corte, el diseño de la boquilla y el control del flujo de aire (como la presión de la boquilla, la posición de la pieza de trabajo en el flujo de aire, etc.) también son factores muy importantes.
La boquilla utilizada para el corte por láser adopta una estructura simple, es decir, un orificio cónico con un pequeño orificio redondo en el extremo (Figura 4). Por lo general, se diseña por experimentación y error. Debido a que la boquilla generalmente está hecha de cobre, de tamaño pequeño, es una parte vulnerable y necesita ser reemplazada con frecuencia, por lo que no se realizan cálculos y análisis de dinámica de fluidos. En uso desde el lado de la boquilla a través de una cierta presión Pn (presión manométrica Pg) de gas, llamada presión de boquilla, desde la salida de la boquilla, después de una cierta distancia hasta la superficie de la pieza de trabajo, la presión se llama presión de corte Pc, y finalmente la expansión del gas a la presión atmosférica Pa. El trabajo de investigación muestra que con el aumento de Pn, la velocidad del flujo de aire aumenta y la Pc también aumenta.
Se puede calcular mediante la siguiente fórmula: V=8.2d2(Pg+1)
V- Caudal de gas L/min
d- Diámetro de la boquilla mm
Pg- Presión de boquilla (presión manométrica) bar
Existen diferentes umbrales de presión para diferentes gases, cuando la presión de la boquilla excede este valor, el flujo de gas es una onda de choque oblicua normal y la velocidad del flujo de gas pasa de subsónica a supersónica. Este umbral está relacionado con la relación de Pn y Pa y el grado de libertad (n) de las moléculas de gas: por ejemplo, n=5 de oxígeno y aire, por lo que su umbral Pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar. Cuando la presión de la boquilla es mayor Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2 (Pn; 4bar), la onda de choque inclinada normal del flujo de aire se convierte en una onda de choque positiva, la presión de corte Pc disminuye, la velocidad del flujo de aire disminuye y la corriente de Foucault se forma en la superficie de la pieza de trabajo, lo que debilita el efecto del flujo de aire que elimina el material fundido y afecta la velocidad de corte. Por lo tanto, se utiliza la boquilla con un orificio cónico con un pequeño orificio redondo en el extremo, y la presión de la boquilla del oxígeno suele ser inferior a 3 bar.
Para mejorar aún más la velocidad de corte por láser, se puede diseñar y fabricar una boquilla de tipo escala, la boquilla Laval, según el principio de la aerodinámica, sin producir una onda de choque positiva bajo la premisa de aumentar la presión de la boquilla. La estructura que se muestra en la Figura 4 se puede utilizar para facilitar la fabricación. El Centro Láser de la Universidad de Hannover, Alemania, utilizó un láser de 500WCO2 con una longitud focal de lente de 2,5", y realizó pruebas con una boquilla de orificio pequeño y una boquilla Laval, respectivamente, como se muestra en la Figura 4. Los resultados de la prueba se muestran en la Figura 5, que representan respectivamente la relación funcional entre la rugosidad de la superficie de incisión Rz y la velocidad de corte Vc de las boquillas NO2, NO4 y NO5 bajo diferentes presiones de oxígeno. Se puede ver en la figura que la velocidad de corte de la boquilla de orificio pequeño NO2 solo puede alcanzar 2,75 m/min cuando Pn es 400 Kpa (o 4 bar) (el espesor de la placa de acero al carbono es de 2 mm). La velocidad de corte de las boquillas Laval NO4 y NO5 puede alcanzar 3,5 m/min y 5,5 m/min cuando Pn es de 500 Kpa a 600 Kpa. Cabe señalar que la presión de corte Pc es una función de la distancia entre la pieza de trabajo y la boquilla. Debido a que la onda de choque oblicua se refleja muchas veces a el límite del flujo de gas, la presión de corte cambia periódicamente.
La primera área de alta presión de corte está cerca de la salida de la boquilla, la distancia entre la superficie de la pieza de trabajo y la salida de la boquilla es de aproximadamente 0,5 ~ 1,5 mm, y la presión de corte Pc es grande y estable, que es el parámetro de proceso comúnmente utilizado en la producción industrial. La segunda área de presión de corte más alta está a aproximadamente 3 ~ 3,5 mm de la salida de la boquilla, y la presión de corte Pc también es grande, lo que también puede lograr buenos resultados y es propicio para proteger la lente y mejorar su vida útil. No se pueden usar otras áreas de alta presión de corte en la curva porque están demasiado alejadas de la salida de la boquilla para que coincidan con el haz enfocado.