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。