Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ процессов сопровождающих лазерную резку металлов и проблемы их физического и математического моделирования 13
1.1. Газолазерная резка металлов: основные технические достижения на сегодняшний день 13
1.2. Оценка параметров физических процессов, сопровождающих газолазерную резку листовых материалов 18
1.3. Анализ состояния исследований 27
Выводы к главе 1 33
Глава 2. Анализ влияния характеристик лазерного излучения на форму образующейся поверхности реза при лазерной резке толстолистового металла 34
2.1 Пространственная задача описания формы поверхности реза с учетом поляризации излучения 34
2.2 Численное моделирование формы поверхности образующейся под действием лазерного излучения. Безразмерное уравнение. Схема численного решения 42
2.3. Влияние поляризации излучения на форму и глубину реза 44
2.4. Влияние заглубление фокуса 50
Ф 2.5. Многомодовое излучение 53
2.6 Модель многократного отражения и поглощения излучения. Влияние переотражение на глубину и форму реза 57
Выводы к главе 2 63
Глава 3. Газодинамика лазерной резки металлов, математическая постановка задачи и метод решения 64
3.1 Математическая постановка задачи 64
3.2 Метод численного решения 68
3.3 Тестовые расчеты 71
Выводы к главе 3 76
Глава 4. Численное моделирование струйных течений вспомогательных газов 77
4.1 Сверхзвуковые течения при газолазерной резке с нейтральным газом... 78
4.2 Дозвуковые течения в узком канале, подобные течениям при лазерной резке с кислородом 90
4.3 Анализ струйных течений и выбор оптимальной формы сопла для кислородно-лазерной резки типа LASOX 93
Выводы к главе 4 97
Заключение , 98
Список литературы
- Оценка параметров физических процессов, сопровождающих газолазерную резку листовых материалов
- Численное моделирование формы поверхности образующейся под действием лазерного излучения. Безразмерное уравнение. Схема численного решения
- Метод численного решения
- Дозвуковые течения в узком канале, подобные течениям при лазерной резке с кислородом
Введение к работе
Лазерная обработка металлов — это широко распространенная технологическая операция, теоретическому и экспериментальному исследованию которой посвящено большое количество оригинальных статей и монографий. Сложность физической картины явления, а также потребности практики постоянно поддерживают высокую активность исследований в этом направлении. Из всех видов лазерных технологий в машиностроительных отраслях промышленности в настоящее время наибольшее применение нашли технологии лазерной резки металлических и неметаллических материалов. Особенно эффективным оказалось применение лазерной резки в заготовительном производстве. Широкий диапазон толщин и марок разрезаемых материалов, практически любые параметры вырезаемых заготовок позволяют производить детали различных типоразмеров и геометрической сложности.
С появлением все более мощных лазеров и разработкой на их основе лазерных технологических комплексов возникает необходимость в расчетно-экс-периментальных исследованиях процессов, сопровождающих лазерную резку. При лазерной резке металл плавится в пределах пятна излучения и удаляется струей вспомогательного газа через образующийся разрез. Качество резки листовых материалов характеризуется шириной реза, степенью перпендикулярности боковых поверхностей к плоскости листа, их шероховатостью, наличием или отсутствием грата, и зависит от большого количества физических параметров, главными из которых являются свойства материала, характеристики излучения, скорость резки и параметры газовой струи. В настоящее время технологические операции лазерного раскроя хорошо отработаны в случае тонких листовых материалов. Стабильная лазерная резка листов металла толщиной 16 мм и более осложнена проблемой значительного понижения качества поверхности. Первая причина связана с повышением требований к параметрам излучения с ростом толщины разрезаемого листа. Вторая причина связана с ухудшением продуваемости лазерного реза вспомогательным газом и нарушением эффек-
тивного выноса расплава из узкого и глубокого канала. Проблема осложнена еще и тем, что регистрация процессов в натурных условиях (на автоматизированном лазерном технологическом комплексе) невозможна из-за непрозрачности стенок реза, наличия высокой температуры и отраженного излучения. Поэтому в настоящее время отсутствуют достоверные сведения и представления о механизмах тех процессов, которые протекают внутри лазерного реза.
Теоретические исследования процессов лазерной обработки, в том числе и лазерной резки материалов, восходят к работам А.А. Веденова, Г.Г. Гладуша, Н.Н. Рыкалина, А.Г. Григорьянца, Г.П. Черепанова, Н. К. Макашова, B.C. Голу-бева, А.В. Нестерова, В.Г. Низьева, J. Powell, W.M. Steen, A. A. Kaplan, К. Minamida, J. Duan, Н.С. Man, К. Chen, Y.L. Yao, W. O'Neill, J.T. Gabzdyl и многих других, в которых создана общая теория взаимодействия излучения с металлами, построены аналитические модели ряда задач, исследовано влияние поляризации пучка, предложены качественные теории образования шероховатости и грата, проведен аналитический и численный анализ устойчивости движения пленки расплава и течений вспомогательного газа в плоском и осесимметричном приближениях и т.д.
Подходы, развитые в большинстве работ, основаны на интегральных законах сохранения, которые справедливы для лазерной резки тонких пластин. Математические модели различных физических процессов, как правило, слабо согласованы. В силу локальности действия струи газа и излучения, описания течений вспомогательного газа и других процессов необходимо проводить в трехмерной постановке. В этих условиях становятся, чрезвычайно актуальными высокие требования к качеству физико-математического моделирования и точности вычислительного эксперимента.
Цели работы
1. Исследование влияния особенностей поляризации лазерного излучения и его поглощения поверхностью материала на глубину и форму лазерного реза,
определение наиболее рациональных режимов использования излучения при разрушении металлов.
Численное моделирование трехмерных течений сжимаемого, вязкого, теплопроводного газа в глубоких и узких щелевых каналах, геометрически подобных лазерному резу.
Исследование струйных течений вспомогательных и рабочих газов для обеспечения хорошей продуваемости лазерного реза с целью эффективного удаления расплавленного металла.
Разработка практических рекомендаций по управлению потоком газа при газолазерной резке толстолистовых металлов на автоматизированном лазерном технологическом комплексе.
Научная новизна
Новыми научными результатами диссертационной работы являются:
Обобщенная формула для коэффициента поглощения лазерного излучения с эллиптической поляризацией, которая получена впервые, и которая описывает поглощение излучения при взаимодействии луча с произвольно ориентированной в пространстве поверхностью материала.
Теоретическое обоснование эффективности использования эллиптической поляризации излучения по сравнению с линейными типами поляризации для лазерного раскроя листовых материалов.
Механизм отрыва газового потока на гладкой поверхности, который обнаружен при втекании сверхзвуковой струи газа в узкий канал, геометрически подобный лазерному резу, что позволило дать объяснение изменению структуры бороздчатой шероховатости при лазерной резке металлов в модельных и натурных условиях.
Явление образования вихревого течения, которое обнаружено внутри узкого канала при втекании в него дозвуковой струи газа, что позволило дать объяснение факту зашлаковывания нижней части канала при лазерной резке с низким рабочим давлением вспомогательного газа кислорода.
Практическая значимость
На основе анализа результатов проведенных исследований, сформулированы практические рекомендации, которые позволили улучшить качество поверхности реза и перейти к резке более толстых листовых металлов толщиной от 30 до 50 мм с шириной реза от 0.4 до 2.6 мм, производимых на автоматизированном лазерном технологическом комплексе ИГ11М СО РАН. Результаты работы могут быть использованы на промышленных установках, что позволит существенно повысить эффективность лазерной резки толстых листовых материалов.
Достоверность результатов
Степень достоверности полученных результатов и выводов обоснована проверкой численных расчетов в сравнении с известными аналитическими решениями, а также данными натурных экспериментов и с экспериментальными и расчетными данными других авторов.
На защиту выносятся все физические модели, математические постановки задач, а также результаты их аналитических и численных решений. К числу главных защищаемых результатов следует отнести:
Трехмерная постановка задачи, вывод на ее основе и обоснование общей расчетной формулы для коэффициента поглощения лазерного излучения при его взаимодействии с произвольной поверхностью материала.
Модели и расчетные алгоритмы разрушения поверхности металла, как с учетом, так и без учета многократного преотражения лазерного излучения при его распространении в узких каналах и кавернах, а также анализ результатов расчетов.
Постановка задачи для полных трехмерных уравнений Навье-Стокса в рассматриваемой области течения вязкого и теплопроводного газа, а также выбранный метод численного решения, результаты тестирования разработанного алгоритма и вычислительной компьютерной программы.
- Результаты численного моделирования сверхзвуковых и дозвуковых
струйных течений газа, их анализ, а также сформулированные выводы и
практические рекомендации.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах академика В.М. Фомина в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН, на семинаре академика Ю.И. Шокина в Институте вычислительных технологий СО РАН, а также на различных российских и международных конференциях:
VII Всероссийская конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики», Новосибирск, ИТФ СО РАН, 2002;
IX и XII Всероссийские научные Конференции Студентов-Физиков и молодых ученых, 2003,2006;
- XLI и XLII Международные научные студенческие конференции
«Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2003, 2004;
XII и XIII Международная конференция по методам аэрофизических исследований (ICMAR), Новосибирск, 2004, 2007;
V Минский международный форум по тепло- и массообмену, Минск, 2004;
Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов -2005», Москва, 2005;
III Международная конференция по математическому моделированию и информационным технологиям в сварке и родственных процессах, Киев, Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины 2006;
IX International Conference Laser and Laser-Information Technologies: Fundamental Problems and Applications. Smolyan, Bulgaria, 2006;
IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, Нижний Новгород, 2006.
ф. Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 5 статьях в рецензируемых журналах и 11 материалах всероссийских и международных конференций.
Личный вклад автора
При выполнении работ по теме диссертации диссертант принимал активное участие в постановке задач, обсуждении результатов, подготовке печатных работ и докладов на конференциях. Основные результаты диссертации получены при непосредственном участии автора. Им реализованы численные алгоритмы и произведены расчеты всех рассмотренных в работе задач. Результаты совместных работ представлены в диссертации с согласия соавторов. Автор выражает всем соавторам благодарность.
Краткое содержание работы по главам
Первая глава содержит детальное описание всей совокупности
физических процессов и явлений, сопровождающих лазерную резку металлов и
проблемы ее практической реализации на автоматизированном лазерном
технологическом комплексе (АЛТК). Первая часть этой главы содержит
описание различных видов лазерной резки, основные технологические
достижения, полученные на сегодняшний день, обсуждаются проблемы,
которые возникают при переходе к резке толстых листов металла. Во второй
части, на основе простейших законов сохранения на облучаемой поверхности,
приводятся оценки основных физических параметров процессов, здесь же
представлены главные безразмерные комплексы, характеризующие лазерную
резку материалов, и сформулированы причины ухудшения качества
поверхности. В третьей части дан обзор и представлен анализ существующих в
мире работ по теме проведенных автором диссертации исследований.
Вторая глава посвящена задаче об определении формы поверхности
гф лазерного реза в зависимости от параметров излучения. Модель, построена в
предположении, что продукты расплава идеально удаляются газом, а излучение поглощается непосредственно металлом. В такой модели определяющими являются теплофизические параметры металла, коэффициент поглощения излучения и характеристики излучения: интенсивность, поляризация, модовый состав, заглубление фокуса. Изложена математическая модель изменения поверхности реза под действием излучения. Представлены результаты зависимости максимальной глубины реза от величины заглубления фокуса. Исследуется зависимость глубины и формы реза при изменении поляризации излучения. Рассмотрено как будет влиять модовый состав излучения на качество реза.
Предложена физико-математическая модель объемного взаимодействия лазерного излучения с металлом с учетом его многократного отражения. На основе траєкторного метода и законов геометрической оптики разработан алгоритм и компьютерная программа расчета многократного отражения излучения в узких каналах и щелях применительно к процессам лазерной обработки металлов (резка, сварка, сверление).
Третья глава содержит математическую постановку задачи о динамике вспомогательных газов, которые обычно используют при лазерной резке металлов.
Для описания течений сжимаемого, вязкого, теплопроводного газа рассматриваются полные уравнения Навье-Стокса. В расчетную область помещается сопловой блок и пластина с узким вырезом. Рассматривается общая схема взаимодействия струи газа, истекающей из конического сопла, с плоской пластиной толщиной 10 - 30 мм с полуразрезом шириной 0.3-1.0 мм. Расстояние (или зазор) между соплом и пластиной составляет примерно 1 мм.
Численное решение уравнений осуществлялось методом установления с расщеплением по пространству и использованием неявной неконсервативной конечно-разностной схемы первого порядка аппроксимации по времени и по пространственным переменным, реализуемой скалярными трехточечными
ф, прогонками. Проведены тестирования алгоритма и программы на задаче о распаде разрыва и задаче о взаимодействии круглой струи с преградой, которые показали надежность алгоритма и программы.
Четвертая глава содержит результаты численного моделирования струйных течений вспомогательных газов.
На основании метода, изложенного в третьей главе, проведены расчеты течения вязкого, сжимаемого, теплопроводного газа в узкой щели применительно к процессам газолазерной резки металлов. Проводились многовариантные вычисления, в которых варьировались следующие параметры задачи: конфигурация сопла (звуковое или сверхзвуковое), параметры сопла (диаметры выходного и критического сечений, длина сверхзвуковой части сопла), ширина и глубина реза, входное давление газа, поступающего в сопло и / величина зазора между соплом и пластиной. Результаты численного моделирования газодинамических течений условно разделены на три группы по отношению к их практическому применению: а) газодинамика резки с нейтральным газом (аргон, азот, гелий); б) газодинамика резки с активным газом кислородом и в) газодинамика кислородно-лазерной резки, когда лазерное излучение играет второстепенную роль, при этом ширина канала реза соизмерима с диаметром струи режущего кислорода. В первом случае, определяющим является высокое давление вспомогательного газа (которое изменяется в диапазоне от 6 до 20 атм), во втором - низкое давление рабочего газа кислорода (до 1.5-2 атм). В случае кислородно-лазерной резки, лазер является вспомогательным инструментом, который лишь разогревает поверхность, для поддержания окисления железа режущей кислородной струей.
а) Лазерная резка с нейтральным газом. Расчетным путем установлено,
что при лазерной резке с нейтральным газом и использовании звукового
(конического) сопла в канале лазерного реза может наблюдаться явление
отрыва потока газа от фронта реза. Отрыв потока всегда оказывает негативное
% влияние, потому что в отрывной зоне возникает возвратное течение, которое
вызывает резкое изменение силового действия газа на расплав, что ухудшает его унос.
На основе многовариантного численного моделирования струйной газодинамики исследованы особенности отрывных течений на гладкой поверхности в щелевом канале применительно к лазерной резке толстолистовых материалов.
б) Лазерная резка при низких давлениях активного рабочего газа. В
лазерной резке с активным газом кислородом, с целью стабилизации процесса,
используют низкие рабочие давления кислорода порядка 1.1-1.5 атм. Истечение
газа, в таком случае, будет дозвуковым. В щелевом канале, ширина которого
сопоставима по размерам с диаметром пучка излучения, течение тоже остается
дозвуковым с числом Маха ~ 0.5. При таких низких давлениях отрыва газового
потока не наблюдается. Однако, одним из интересных явлений, обнаруженных
как при численном, так и при физическом моделировании в лабораторных
условиях, является образование вихревого течения газа, которое возникает при
выходе струи из щелевого канала. Этот вихрь может увлекать за собой и
накапливать в себе жидкий расплав, что сдерживает его унос и является
причиной зашлаковывания нижней кромки реза или образования грата в
условиях натурного эксперимента.
в) Газодинамика кислородно-лазерной резки. Случай широкого реза,
характерен для кислородно-лазерной резки. По зарубежной литературе этот
способ резки известен как LASOX. Главную роль здесь выполняет струя
режущего газа кислорода. При определенных условиях минимального
лазерного подогрева возбуждаются гетерогенные химические реакции
окисления железа в кислороде с выделением большого количества тепла на
металлической поверхности. Ширина реза, которая получается в этом случае,
сравнима по величине с диаметром струи кислорода, а толщина разрезаемых
листов может достигать значений 50-60 мм. Одной из главных проблем здесь
является оптимизация конфигурации газодинамического сопла для организации
эффективной сверхзвуковой струи кислорода. Этот вопрос в настоящее время
не исследован. Для обеспечения высокого качества и эффективности резки необходима узкая, с максимально равномерным распределением параметров, сверхзвуковая, глубоко проникающая струя режущего кислорода, которая должна сохранять свою пространственную структуру до входа в канал реза и далее при распространении в канале. Приведены результаты численных исследований особенностей течений рабочего газа на входе (т.е. в зазоре между соплом и пластиной) и в самом щелевом канале. Показано, что форма и геометрические размеры сопла играют существенную роль в формировании струи режущего газа кислорода.
Представленная в диссертации вычислительная технология, а также результаты проведенных численных исследований получили подтверждение в экспериментах на модельной и натурной установках.
На основе проведенных исследований струйных течений вязкого газа сформулированы технические рекомендации по управлению газовым потоком, которые были успешно использованы в экспериментах на АЛТК ИПТМ СО РАН при отработке практических технологий лазерной и кислородно-лазерной резки толстолистовых металлов.
В заключении диссертации приводятся основные результаты и выводы.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю
Ковалеву О.Б., а также Оришичу A.M., за поддержку в выполнении работы,
помощь при постановке задача и обсуждении полученных результатов. А также
благодарит Шулятьева В.Б., Ермолаева Г.В. и Юдина П.В. за совместно
і выполняемые работы, полезные дискуссии и советы.
Оценка параметров физических процессов, сопровождающих газолазерную резку листовых материалов
Рассмотрим основные физические процессы, которые сопровождают лазерную резку. Излучение лазера В настоящее время в промышленности России и за ее пределами широко используются С02 лазеры, обладающие высоким КПД, большой мощностью и хорошим качеством излучения. Длина волны излучения таких лазеров 10.6 мкм. Мощность излучения лазера на современных установках достигает 10-20 кВт. Качество излучения определяется модовым составом, расходимостью пучка и поляризацией. Модовый состав и расходимость пучка определяют плотность излучения в области фокусировки. Если в излучении будут присутствовать другие моды (ТЕМоь ТЕМю, ТЕМц и др.) или будет значительная расходимость лазерного пучка, то плотность излучения на поверхности материала значительно уменьшится, что увеличит ширину реза и вероятней всего уменьшит скорость резки. При оптимальных параметрах радиус луча в области фокусировки составляет со0 -ЮОмкм (при фокусном расстоянии линзы 190 мм). Направленность поляризации излучения сильно влияет на коэффициент поглощения излучения материалом. Следовательно, использование неосесимметричной поляризации приведет к тому, что при изменении направления резки, потребуется поворачивать либо плоскость поляризации, либо сам обрабатываемый материал. Поэтому на большинстве лазерных комплексов применяют круговую поляризацию.
Поглощение излучения металлами
Большинство металлов способно хорошо поглощать излучение высокой интенсивности от сфокусированного лазерного пучка. Поглощение лазерного излучения металлами сопровождается многообразием физико-химических процессов, главные из которых это нагрев, плавление, испарение и окисление. В наведенном на поверхность металла пятне излучения материал может очень быстро разогреться, расплавиться и даже испариться. Металл поглощает энергию лазера в тонком поверхностном слое. Эта энергия распространяется за счет теплопроводности в осевом и радиальном направлениях. Если мощность па дающего излучения невысокая ( 108 Вт/м2) и плотность мощности поглощения излучения мала по сравнению с теплоотводом, то температура поверхности в пятне излучения будет оставаться ниже температуры плавления. При более высокой мощности ( 1010 Вт/м2) испарение становиться преобладающим механизмом удаления материала. Следует заметить, что все процессы протекают достаточно локализовано потому, что толщина пятна имеет порядок 10"4 м. В процессе лазерной резки обычно интенсивность поглощенного излучения на , поверхности металла составляет порядка 10 Вт/м . Значит мы можем говорить о том, что основным результатом взаимодействия излучения с металлом будет его плавление.
Поглощение излучения напрямую зависит от отражательной способности металлической поверхности. При описании взаимодействия излучения с металлами используют уравнения Френеля, из которых следует, что коэффициент отражения связан с комплексным показателем преломления М = пш+ікт, углом па дения луча у и зависит от вида поляризации излучения [32]. Для чистого металла коэффициент поглощения может изменяться в широком диапазоне, от 0.05 до 0.5 , это означает, что потери энергии в виде отраженного излучения могут составлять от 50 до 95%, поэтому очень важно изучить, как может повлиять поляризация исходного излучения на производительность процесса. Газовая струя.
Для того чтобы добиться качественного удаления расплава нужно создать газовый поток, который бы оказывал достаточное силовое воздействие на рас плав по всей глубине канала. Картина течения газа схематично отображена на рис. 1.2.1. Сначала газ разгоняется в сопле, затем газовая струя выходит в атмосферу и разделяется на две части. Первая протекает между пластиной и соплом и выходит в открытое пространство, вторая попадает в узкий лазерный рез. В зависимости от давления в сопле и расстояния до пластины между пластиной и соплом может возникнуть скачок уплотнения. При резке с кислородом внутри реза возникает дозвуковое течение с числом Маха М«0,5 (рабочие давления ьц 1,1-1,5 атм), а при резке с нейтральным газом поток разгоняется до сверхзвуко вых скоростей М «1,5 -г 2,5 (рабочие давления 6-8 атм). В большинстве работ « пользуются приближением о том, что параметры газа слабо изменяются в струе так, что в щелевом разрезе формируется изоэнтропическое течение с постоянным градиентом давления — « — - [7-19] (где р1п - давление газа при входе dz h в рез, ра - атмосферное давление, h - толщина пластины). Такое приближение допустимо только при малой толщине материала. При резке толстолистовых ф материалов, возникает течение с целой системой скачков уплотнения (в случае сверхзвукового течения) и вихревыми течениями. Поэтому для анализа течения газа требуется либо экспериментальное, либо численное моделирование газодинамики процесса.
Численное моделирование формы поверхности образующейся под действием лазерного излучения. Безразмерное уравнение. Схема численного решения
В настоящее время происходит непрерывное усовершенствование и расширение областей применения традиционных видов лазерной обработки. Это требует углубленного изучения физики процессов в широком диапазоне интен-сивностей, времени воздействия и свойств обрабатываемых материалов с глубоким проникновением излучения в материал. Газолазерная резка металлов -широко распространенная технологическая операция экспериментальному и теоретическому исследованию, которой посвящено огромное число оригинальных статей и монографий (см., например, библиографию в [1-6]).
В связи с большим количеством физических процессов, сопровождающих газолазерную резку (взаимодействие лазерного излучения с металлами, течение газовой струи в узком канале, распространение тепла в твердом металле и его расплаве и многое другое), общая постановка задачи затруднена. Зачастую в работах на эту тему пользуются интегральными законами сохранения в одномерной или двумерной постановках.
В [7] проведена оценка физических параметров процессов, сопровождающих лазерную резку с инертным газом, изучено влияние заглубления фокуса на качество поверхности и экспериментально исследованы особенности течения газа внутри реза для небольших толщин материала. Впервые упоминается о возможности возникновения отрывного течения внутри реза и о его влиянии на качество поверхности. На основе упрощенных математических моделей предложен один из механизмов образования регулярной шероховатости, основан ный на неустойчивости температурного поля, создаваемого медленно перемещающимся источником тепла.
В [8] на основе аналитического решения сопряженных задач механики сплошных сред, в двухмерной постановке исследуется влияние основных технологических параметров резки на толщину пленки расплава, на прогрев материала и максимальную глубину реза.
В [9] дается наиболее полный обзор и проводится качественный анализ физических механизмов удаления расплава в процессе лазерной резки. Предлагается качественное объяснение экспериментально наблюдаемой зависимости энергетической эффективности резки и высот шероховатости [23].
Анализу гидродинамической неустойчивости течения пленки расплава посвящены работы [10-16]. Ряд моделей исследуют неустойчивость, вызванную внешними источниками (например, турбулентными пульсациями газового потока [10], колебаниями мощности лазера [11]), либо внутренними гидромеханическими механизмами присущими пленочному течению [14]. В [18,19] течение пленки изучается на основе оригинальной квазитрехмерной модели, где форма реза представляет собой усеченный конус и наклонные поверхности. На подобной модели в [20] исследуют образование шероховатости при лазерной резке с кислородом. Надо отметить, что во всех этих работах параметры газового потока внутри реза принимаются постоянными, что недопустимо при моделировании процессов при резке толстых материалов.
В [21] приводится интересное сравнение полуэмпирических и аналитических формул для оптимальных параметров лазерной резки. Величина Ф = Р/Уя (где Р -мощность лазера, V - скорость резки, s - толщина материала), для всех приведенных (теоретических и экспериментальных) результатов, оказывается, лежит в одном диапазоне от 6 + \2Дж1мм2. Однако, такая оценка пригодна только для небольшой толщины материала, до 5 мм. При увеличении толщины эта величина может существенно изменяться в зависимости от параметров резки как показано в экспериментах [24-27].
В работах [22-23] исследуются оптимальные, с точки зрения термических потерь, режимы резки тонколистовых металлов. В [23] обнаружено, что нагрев разрезаемой пластины влияет на величину шероховатости поверхности реза.
Выбору оптимальных параметров излучения посвящены работы [32-50]. Обычно пренебрегают потерями энергии на прогрев боковых стенок реза, а также на перегрев расплава. Поглощенное излучение учитывается интегрально или в двумерной постановке, при этом коэффициент поглощения обычно принимается постоянным. Распределение плотности поглощаемого излучения, довольно сильно зависит от локальных параметров, таких как угол падения или поляризация излучения относительно плоскости падения, поэтому задачу необходимо рассматривать в трехмерной постановке, правильно вычисляя коэффициент поглощения и поглощенную энергию в каждой точке поверхности. В [32] наиболее подробно исследован вопрос о взаимодействии лазерного излучения с металлами: исследуются различные формулы для коэффициента поглощения, рассматривается влияние шероховатости, загрязнений поверхности, а также зависимость коэффициента поглощения от температуры. В [33] обсуждается возможность вычисления нормальной компоненты скорости перемещения точек поверхности плавления V„ через вектор Пойтинга, который определяется из решения уравнений Максвелла. Рассматривается только случай малого отклонения искомой поверхности от плоскости листа, что позволяет приближенно вычислять вектор Пойтинга. Коэффициент поглощения излучения поверхностью материала вычисляется приближенно, при этом рассматриваются только поперечная и продольная поляризации излучения.
Метод численного решения
Рассмотрена задача описания формы поверхности, образующейся при лазерной резке металлов мощным потоком излучения с ТЕМ00-модой. Исследованы случаи линейной, эллиптической, круговой, радиальной и азимутальной поляризаций луча. Для расчета коэффициента поглощения предложены функциональные зависимости (2.1.11-2.1.15), которые учитывают пространственную ориентацию плоскости падения, что очень важно для резки толстых материалов с большим отношением глубины реза к диаметру гауссова пучка. Численно исследовано влияние характеристик лазерного излучения на форму поверхности и глубину реза. Показано, что максимальная глубина реза достигается при эллиптической поляризации с определенным соотношением полуосей («0,75), ориентированной по направлению перемещения луча. Исследование влияния заглубления фокуса показало, что лучше всего заглублять фокус на середину толщины разрезаемой пластины. Показано, что появление в излучении мод высшего порядка, отрицательно влияет на максимальную глубину реза. Теоретически исследовано многократное поглощение лазерного излучения при его распространении в узком канале. Показано, что влияние многократного отражения проявляется в большей степени при лазерной резке, чем при лазерном сверлении. При этом увеличивается максимальная глубина реза. Предложенная модель многократного отражения позволяет учесть процесс передачи энергии в глубь канала, что представляется важным при описании процессов лазерной обработки (сверления, резки, сварки) толстых материалов.
Следует заметить, что все выводы сделанные в данной главе, сделаны в приближении об идеальном удалении расплава газовым потоком.
В настоящее время стабильная лазерная резка листов толщиной 16 мм и более осложнена проблемой значительного понижения качества поверхности. Одна из главных причин связана с нарушением эффективного выноса расплава из узкого и глубокого канала. Газодинамика вспомогательного газа - основной " процесс, определяющий течение пленки жидкого металла и, соответственно, его удаление из зоны реза. В этой связи становится очень важным детальное исследование газодинамических струйных течений внутри лазерного разреза. Особенность реальных процессов такова, что в силу локальности действия струи и излучения, описание течения газа необходимо проводить в трехмерной постановке
Проведем анализ особенностей газодинамических течений имеющих место при лазерной резке материалов. Рассматривается общая схема взаимодействия струи газа с пластиной имеющей полубесконечный разрез геометрически подобный лазерному резу (рис.3.1.1). Струя газа (азота, аргона или гелия) истекает из сопла расположенного на расстоянии 1 - 5 мм от пластины, толщина которой может составлять 10-30 мм, ширина реза при этом не превышает 0.2-0.7 мм, диаметр выходного сечения сопла 2-3 мм.
Для оценки чисел Рейнольдса Re = p0u0Djju0 и Кнудсена Kn = X/D выбиралось характерное расстояние D равное ширине реза, т.е. порядка 0.5 мм, характерная скорость Щ = 2cpT0 соответствовала максимальной скорости истечения газа из конического сопла, где Г0- температура газа в объеме. Для азота при Го=300 К, р0=\,\ кг/м\ ср=1038 Дж/(кг К), Д =296,9 Дж/(кг К); //0=1,75 10 5 кг/(м с). через параметры газа [91]: Я = 16//0/(5р0 /2яКГ„). Число Кнудсена составляет 1,2 10 , поэтому использование континуального описания сплошной среды является оправданным. Число Рейнольдса может достигать значений 24000. Если рассматривать течение в обычном канале, то такое течение следует считать турбулентным. Однако в наших условиях поверхность канала в зоне действия лазерного излучения, которое разогревает металл до температуры плавления и выше, покрыта тонкой пленкой расплава. Эта пленка под силовым воздействием газа течет вдоль поверхности. При наличии жидкой пленки напряжение трения между газом и поверхностью ослабевает, и можно предположить, что при числах Рейнольдса порядка 24000 течение в нашем канале в окрестности фронта реза все еще будет хорошо описываться моделью ламинарного потока. Для плотности и температуры на границе расчетной области, мы будем задавать условие параметров внешней среды, т.е. Р 1.2=1. Т\ш2=Т0, (3.1.7) В качестве граничных условий на входе в сопло соЪ (рис. 3.1.1), задаются плотность и температура газа в баллоне: PL=A» TL=T0 (3.1.8) Начальные условия для системы уравнений: V = 0; /7 = 1; Г = Г0 (3.1.8)
Решение поставленной выше задачи предполагает ответить на следующие важные для практики вопросы: 1) Каково влияние формы сопла, давления и ширины реза на распределение газодинамических параметров внутри реза? 2) Как особенности течения газа могут повлиять на течение расплава, и каким образом создать оптимальные условия для его удаления?
Дозвуковые течения в узком канале, подобные течениям при лазерной резке с кислородом
Струя газа, взаимодействуя с преградой, разделяется надвое. Одна часть струи растекается по поверхности пластины, проникая через зазор, а другая -устремляется в узкую щель, ширина которой во много раз меньше диаметра сопла. Однако, не смотря на то, что щель узкая, она хорошо продувается, при этом перед щелью мы видим два больших противоположно направленных вихря. На выходе из щели, рис. 4.1.2, наблюдается периодическое образование малых вихрей, которые, попеременно отрываясь, сложным образом объединяются т и двигаются как единое целое. Внутри щели, рис. 4.1.2а, линии тока существенно отклоняются от оси сопла и внутренней стенки канала, имитирующей фронт лазерного реза. Наблюдается отрыв потока газа от фронта реза и образование возвратного течения, которое вовлекает в свое движение газ из внешней среды (рис. 4.1.2г). Этот факт неоднократно подтверждался на практике, когда во время резки нержавеющей стали с азотом, нижняя кромка реза чернела, так как в рез проникал кислород из атмосферы.
Модельные эксперименты Юдина П.В. [70] с визуализацией струйных тече ний в каналах геометрически подобных лазерному резу подтвердили расчетно-теоретические выводы. На рис. 4.1.3 представлено сопоставление результатов численного и экспериментального моделирования. Теневой снимок течения, рис. 4.1.36, получен шлирен-методом, фотография на рис. 4.1.3в демонстрирует результат метода, основанного на нанесении жидкого покрытия на внутреннюю стенку щелевого канала. Внутри канала газ начинает интенсивно расширяться и ускоряться (область 1 на рис. 4.1.3). Хорошо видно, что в данной области тече % ние газа ламинарное. Это оправдывает предположения, обосновывающие расчетную модель. В зоне отрыва (область 2, рис. 4.1.3) наблюдается крупномасштабное вихревое течение, при котором на стенках канала накапливается жидкость. Такое движение вспомогательного газа в натурных условиях при лазерной резке будет способствовать накоплению расплава в зоне отрыва и плохому его удалению, что непосредственно скажется на изменении формы и размеров шероховатости. После прохождения прямого скачка поток турбулизуется (область 3, рис. 4.1.3). а б в
По результатам, накопленным в расчете и эксперименте можно сформулировать физические причины возникновения отрыва потока газа следующим образом. Газ попадает в канал реза под большим давлением, и начинает интенсивно расширяться. Поскольку газ не имеет возможности расширяться во все стороны, струя приобретает импульс по направлению от стенки. Расширение газа происходит до давления, меньшего, чем атмосферное, подобно случаю истечения недорасширенной струи из сопла Лаваля. При этом газ приобретает сверхзвуковую скорость. Последующее сжатие происходит посредством скачков уплотнения. Центральная часть тормозится за счет прямого скачка. Периферия поджимается к центру косыми скачками. Так как полный импульс и центральная линия струи теперь направлены под углом к фронту реза, сжатие струи сопровождается отрывом от стенки. Точка отрыва совпадает с местом # взаимодействия косого скачка со стенкой канала. Следует ожидать, что если газ Ф будет попадать в канал при меньшем давлении и с большей скоростью (так чтобы струя имела значительный начальный импульс в нужном направлении), отрыв будет слабее или исчезнет вовсе. Это обстоятельство объясняет преимущество использования сверхзвукового сопла, к описанию которого мы переходим ниже.
Использование сверхзвукового сопла
Как показали расчеты, использование в тех же условиях сверхзвукового конического сопла с большим диаметром выходного сечения, рис. 4.1.4, улучшает описанную выше ситуацию. На рис. 4.1.4а линии тока хорошо прилегают к фронту реза, в целом течение безотрывное, хотя струя также существенно отклоняется от осевой линии сопла. При заданных параметрах сопла и зазора в 1 мм газ успевает разогнаться до сверхзвуковых скоростей еще в сопле, рис. 4.1.46, в зазоре газ испытывает некоторое торможение и переход через прямой скачок уплотнения у входа в щель, а затем внутри щели вновь разгоняется расширяясь. Внутри щели образуется сверхзвуковая зона, рис. 4.1.46, заполняющая все пространство щели с числом Маха А/ «2.
Перед входом в щель газовая струя более широкая с равномерно распределенными параметрами, отрыва потока нет, пограничный слой на фронте реза одинаково тонок по всей толщине, вихри при этом не возникают. Результаты расчетов качественно согласуются с теневой фотографией, рис. 4.1.5, полученной при лабораторном моделировании и визуализации шлирен-методом сверх-звуковых струйных течений. При использовании сверхзвукового сопла продуваемость лазерной щели улучшается. В этом случае в натурных экспериментах следует ожидать хорошую работу газа по уносу расплава и, как следствие, улучшение качества поверхности.
Истечение газа из сверхзвукового сопла, давление зза входе Р=7 атм, ширина щели h=500 мкм, зазор между пластиной и соплом s=1..5 мм, толщина пластины Н= 15 мм. а) линии тока газа и сечении xz по центру сопліа; б) распределения числа Маха в сечении xz .
Визуализация шлирен-мстодом сверхзвуковых струшных течений [69]. Исследование влияния входного давления и ширины канала на отрыв потока.
На основе многовариантного численного и экспериментального моделирования струйной газодинамики ниже приведены результаты исследований особенностей отрывных течений в более глубоких щелевых каналах. Изучалось влияние изменения входного давления газа и ширины канала. Представленные выше расчеты показали, что использование сверхзвукового сопла может обеспечить безотрывное течение газа для каналов глубиной до 10-15 мм и шириной 0.5-0.7 мм. При дальнейшем увеличении глубины канала отрыв потока снова возникает, и бороться с ним, как оказалось, удается за счет повышения входного давления или ширины продуваемого канала.
В первой серии вычислительных экспериментов изучалось влияние входного давления на течение газа в канале с размерами 1,2x30 мм. С ростом давления зона отрыва вытесняется к выходу из щели (рис. 4.1.6 а, б, в).
Для того чтобы обеспечить полное вытеснение отрывной зоны, при толщине листа 30 мм, необходимо повысить входное давление более чем до 20 атм. Увеличение давления до таких значений и выше, приводит к росту расхода газа, повышению требований к прочности газоподводящей системы и, как следствие, к дополнительным ресурсным затратам. Слабым местом здесь является оптическая система (ZnSe линза).
Во второй серии расчетов варьировалась ширина щелевого канала, и исследовалось влияние этой ширины на характеристики течения и отрыв (рис. Рис. 4.1.7 а, б, в). Расчетным путем установлено, что с увеличением ширины канала область отрыва уменьшается, и при ширине близкой к диаметру критического сечения сопла, отрыв полностью исчезает.
