การออกแบบหัวฉีดเครื่องตัดเลเซอร์

การออกแบบหัวฉีดและเทคโนโลยีการควบคุมการไหลของอากาศ: เมื่อตัดเหล็กด้วยเลเซอร์ ออกซิเจนและลำแสงเลเซอร์ที่โฟกัสจะถูกยิงผ่านหัวฉีดไปยังวัสดุที่จะตัด จึงทำให้เกิดลำแสงการไหลของอากาศ ข้อกำหนดพื้นฐานของการไหลของอากาศคือการไหลของก๊าซเข้าไปในการตัดควรมีขนาดใหญ่และความเร็วควรสูง เพื่อให้เกิดการออกซิเดชันที่เพียงพอสามารถทำให้วัสดุที่ตัดเกิดปฏิกิริยาคายความร้อนได้อย่างเต็มที่ ในเวลาเดียวกัน จะต้องมีโมเมนตัมเพียงพอที่จะเป่าวัสดุที่หลอมละลายออกไป ดังนั้น นอกเหนือจากคุณภาพของลำแสงและการควบคุมที่ส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพการตัดแล้ว การออกแบบหัวฉีดและการควบคุมการไหลของอากาศ (เช่น แรงดันของหัวฉีด ตำแหน่งของชิ้นงานในกระแสอากาศ ฯลฯ) ยังเป็นปัจจัยที่สำคัญมากอีกด้วย
หัวฉีดที่ใช้ในการตัดด้วยเลเซอร์มีโครงสร้างที่เรียบง่าย นั่นคือ รูทรงกรวยที่มีรูกลมเล็ก ๆ ที่ปลาย (รูปที่ 4) โดยทั่วไปจะออกแบบโดยการทดลองและข้อผิดพลาด เนื่องจากหัวฉีดส่วนใหญ่มักทำจากทองแดง มีขนาดเล็ก จึงเป็นชิ้นส่วนที่เปราะบางและต้องเปลี่ยนบ่อยครั้ง ดังนั้นจึงไม่มีการคำนวณและวิเคราะห์พลศาสตร์ของไหล ในการใช้งานจากด้านข้างของหัวฉีดผ่านก๊าซ Pn (ความดันเกจ Pg) ที่เรียกว่าความดันหัวฉีด จากทางออกของหัวฉีด หลังจากระยะห่างถึงพื้นผิวของชิ้นงานที่กำหนด ความดันจะเรียกว่าความดันตัด Pc และสุดท้ายคือการขยายตัวของก๊าซไปสู่ความดันบรรยากาศ Pa งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าเมื่อ Pn เพิ่มขึ้น ความเร็วของการไหลของอากาศจะเพิ่มขึ้น และ Pc ก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน
สามารถคำนวณได้จากสูตรต่อไปนี้: V=8.2d2(Pg+1)
V- อัตราการไหลของก๊าซ L/min
d- เส้นผ่านศูนย์กลางหัวฉีด มิลลิเมตร
Pg- แรงดันหัวฉีด (แรงดันเกจ) บาร์
เกณฑ์ความดันสำหรับก๊าซต่างๆ แตกต่างกัน เมื่อความดันของหัวฉีดเกินค่านี้ การไหลของก๊าซจะเป็นคลื่นกระแทกเฉียงตามปกติ และอัตราการไหลของก๊าซจะเปลี่ยนจากความเร็วต่ำกว่าเสียงเป็นความเร็วเหนือเสียง เกณฑ์นี้เกี่ยวข้องกับอัตราส่วนของ Pn และ Pa และระดับอิสระ (n) ของโมเลกุลก๊าซ เช่น n=5 ของออกซิเจนและอากาศ ดังนั้นเกณฑ์ Pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar เมื่อความดันของหัวฉีดสูงขึ้น Pn/Pa=(1+1/n)1+n/2 (Pn; 4bar) คลื่นกระแทกเอียงตามปกติของการไหลของอากาศจะกลายเป็นคลื่นกระแทกเชิงบวก ความดันในการตัด Pc จะลดลง ความเร็วการไหลของอากาศจะลดลง และกระแสน้ำวนจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของชิ้นงาน ซึ่งทำให้ผลของการไหลของอากาศในการขจัดวัสดุที่หลอมละลายลดลง และส่งผลต่อความเร็วในการตัด ดังนั้น จึงใช้หัวฉีดที่มีรูกรวยที่มีรูกลมเล็ก ๆ ที่ปลาย และแรงดันหัวฉีดของออกซิเจนมักจะต่ำกว่า 3 บาร์
เพื่อปรับปรุงความเร็วในการตัดด้วยเลเซอร์ให้ดียิ่งขึ้น หัวฉีดแบบมาตราส่วนที่เรียกว่าหัวฉีด Laval สามารถออกแบบและผลิตได้ตามหลักการของอากาศพลศาสตร์ โดยไม่ก่อให้เกิดคลื่นกระแทกเชิงบวกภายใต้สมมติฐานของการเพิ่มแรงดันของหัวฉีด โครงสร้างดังที่แสดงในรูปที่ 4 สามารถใช้เพื่อความสะดวกในการผลิต ศูนย์เลเซอร์ของมหาวิทยาลัยฮันโนเวอร์ ประเทศเยอรมนี ใช้เลเซอร์ 500WCO2 ที่มีความยาวโฟกัสเลนส์ 2.5 นิ้ว และทำการทดสอบด้วยหัวฉีดรูเข็มและหัวฉีด Laval ตามลำดับ ดังแสดงในรูปที่ 4 ผลการทดสอบแสดงไว้ในรูปที่ 5 ซึ่งแสดงความสัมพันธ์เชิงฟังก์ชันระหว่างความหยาบของพื้นผิวการตัด Rz และความเร็วการตัด Vc ของหัวฉีด NO2, NO4 และ NO5 ภายใต้แรงดันออกซิเจนที่ต่างกัน จากรูปจะเห็นได้ว่าความเร็วในการตัดของหัวฉีดรูเข็ม NO2 สามารถถึง 2.75 ม./นาทีเท่านั้น เมื่อ Pn อยู่ที่ 400Kpa (หรือ 4bar) (ความหนาของแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนคือ 2 มม.) ความเร็วในการตัดของหัวฉีด Laval NO4 และ NO5 สามารถถึง 3.5 ม./นาทีและ 5.5 ม./นาที เมื่อ Pn อยู่ที่ 500Kpa ถึง 600Kpa ควรสังเกตว่าแรงดันในการตัด Pc เป็นฟังก์ชันของระยะห่างระหว่างชิ้นงานและหัวฉีด เนื่องจากคลื่นกระแทกเฉียงคือ สะท้อนหลายครั้งที่ขอบเขตของการไหลของก๊าซ แรงดันในการตัดจะเปลี่ยนแปลงเป็นระยะๆ
พื้นที่แรงตัดสูงแรกอยู่ใกล้กับทางออกของหัวฉีด ระยะห่างระหว่างพื้นผิวชิ้นงานและทางออกของหัวฉีดอยู่ที่ประมาณ 0.5~1.5 มม. และแรงตัด Pc มีขนาดใหญ่และเสถียร ซึ่งเป็นพารามิเตอร์กระบวนการที่ใช้กันทั่วไปในการผลิตทางอุตสาหกรรม พื้นที่แรงตัดสูงเป็นอันดับสองอยู่ที่ประมาณ 3~3.5 มม. ของทางออกของหัวฉีด และแรงตัด Pc ก็มีขนาดใหญ่เช่นกัน ซึ่งสามารถให้ผลลัพธ์ที่ดีได้เช่นกัน และเอื้อต่อการปกป้องเลนส์และปรับปรุงอายุการใช้งาน ไม่สามารถใช้พื้นที่แรงตัดสูงอื่นๆ บนเส้นโค้งได้ เนื่องจากอยู่ห่างจากทางออกของหัวฉีดมากเกินไปจนไม่สามารถจับคู่กับลำแสงที่โฟกัสได้