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激光切割喷嘴结构与切割参数对辅助气体流场的影响分析

作　者: 邱明勇
导　师: 胡俊
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 激光切割喷嘴切割参数动力学特性计算流体动力学
分类号: TG485
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

激光切割是激光加工行业中一项重要的应用技术,相对于传统的火焰切割和等离子切割,激光切割具有切割质量好、切割速度快、自动化程度高、切割材料范围广等显著优点。激光切割的实现过程是高能激光束与辅助气体相互作用的结果,一方面高能光束使加工材料熔化甚至气化,另一方面辅助气体把熔融金属和部分热量从切口中排出去。合理的喷嘴结构和切割参数可使热影响区限制在一个很小的范围内,并保证了加工质量和加工效率。本文在上海市科委两项重点科技攻关项目的支持下,讨论了目前激光切割辅助气体流场和喷嘴的研究现状及发展趋势,分析了喷嘴形状对射流流场的气体动力学特性的影响规律,建立了激光切割撞击射流三维平面对称模型,研究了切割参数对切缝中气体动力学特性的影响,具体研究内容如下:首先对收敛型和锥型喷嘴等两种典型的会聚型喷嘴,根据可压缩的二维轴对称的N-S方程,利用有限体积法对收缩喷嘴的自由射流进行数值模拟。通过对不同形状参数的喷嘴射流数值模拟,根据射流速度和压力分布计算结果的比较,揭示了喷嘴形状参数对射流流场的气体动特性参数的影响规律,为优化喷嘴结构设计提供了理论依据。对激光切割切割参数和切缝结构做了简单描述,分析了辅助气体在切缝中的动力学作用,建立了包含切缝的激光切割撞击射流三维平面对称模型,并对所采用的主控方程和湍流模型进行了描述。分析了辅助气体的平面对称撞击射流过程,研究了气体与工件之间的相互作用机理,揭示了气体辅助加工能力随工件与喷嘴距离、工件厚度和缝宽之间的关系。由速度和质量流率评价标准可发现,收敛型喷嘴切缝中气体的动力学性能都明显优于锥型喷嘴,且随着喷嘴工件距的变化,至少存在两个合理的切割区域范围。随着板厚的增加,膨胀波的位置相对于工件下表面的距离会变大,使得靠近工件下表面位置的辅助气体的动力学性能恶化,切割质量和效率变差。在相同入口滞压条件下,随着缝宽的增加,收敛型喷嘴轴线上的压力和速度变化梯度越来越小。在理论研究的基础上,开发了两种优化结构的锥型喷嘴和收敛型喷嘴,与德国PRECITEC NOZZLEφ1.25HD喷嘴进行了对比实验,其切割效果相当。同时,还通过实验验证了切割质量与喷嘴工件距、工件厚度和缝宽的理论分析结果,为以后的切割参数优化提供了理论指导和实验数据。最后,论文对所做的工作进行了总结,并对今后的进一步研究方向进行了展望。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-28
  1.1 研究背景与课题来源  13-15
  1.2 激光切割技术现状与发展趋势  15-19
    1.2.1 激光切割技术机理  15-17
    1.2.2 激光切割技术的影响因素  17-19
  1.3 激光切割喷嘴与辅助气体流场研究现状  19-23
    1.3.1 激光切割喷嘴的发展过程与研究现状  19-21
    1.3.2 激光切割中辅助气体射流场的研究现状  21-23
  1.4 激光切割撞击射流作用机理与研究现状  23-26
  1.5 论文主要内容与结构  26-28
第二章会聚型喷嘴结构对射流流场的影响研究  28-41
  2.1 会聚型喷嘴结构及优化的必要性  28-29
  2.2 控制方程与模型  29-31
    2.2.1 CFD 数值方法介绍  29-30
    2.2.2 主控方程  30
    2.2.3 湍流模型  30-31
  2.3 模型的建立及网格划分  31-34
    2.3.1 Fluent 介绍  31-33
    2.3.2 模型的建立及网格划分  33-34
  2.4 数值模拟结果与分析  34-39
    2.4.1 圆锥段收缩角对锥型喷嘴气体动力学性能的影响  34-36
    2.4.2 收缩段曲率半径对收敛型喷嘴气体动力学性能的影响  36-39
    2.4.3 两种会聚型喷嘴的比较  39
  2.5 本章小结  39-41
第三章激光切割撞击射流作用机理分析与三维模型建立  41-46
  3.1 切割参数及切缝结构描述  41
  3.2 辅助气体在切缝中的作用机理分析  41-43
    3.2.1 辅助气体在切缝中的动力学作用  41-42
    3.2.2 撞击射流三维模型建立  42-43
  3.3 主控方程与算法描述  43-45
    3.3.1 控制方程  43
    3.3.2 湍流模型  43-45
  3.4 本章小结  45-46
第四章切割参数对切缝中辅助气体流场的影响分析  46-63
  4.1 模拟参数设定  46-47
  4.2 数值仿真结果与分析  47-62
    4.2.1 喷嘴工件距对切缝中气体动力学性能的影响  47-51
    4.2.2 板厚对切缝中气体动力学性能的影响  51-57
    4.2.3 缝宽对切缝中气体动力学性能的影响  57-62
  4.3 本章小结  62-63
第五章碳钢板激光切割实验与分析  63-76
  5.1 实验方案  63-66
    5.1.1 会聚型喷嘴制作  63
    5.1.2 实验条件与方法  63-64
    5.1.3 实验步骤  64-66
  5.2 实验结果分析与验证  66-75
    5.2.1 收敛型喷嘴和锥型喷嘴与进口喷嘴切割效果比较  66-67
    5.2.2 喷嘴工件距对切割质量的影响验证  67-70
    5.2.3 工件厚度对切割质量的影响验证  70-72
    5.2.4 缝宽对切割质量的影响验证  72-75
  5.3 本章小结  75-76
第六章总结与展望  76-78
  6.1 总结与创新点  76-77
    6.1.1 总结  76
    6.1.2 创新点  76-77
  6.2 研究展望  77-78
参考文献  78-83
致谢  83-84
攻读硕士学位期间发表的论文与获得的荣誉  84

激光切割喷嘴结构与切割参数对辅助气体流场的影响分析

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