Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ физических процессов, сопровождающих лазерную резку металлов, методы их экспериментального моделирования и регистрации .. 13
1.1. Газолазерная резка металлов: основные технические достижения на сегодняшний день 13
1.2. Обзор физических процессов, сопровождающих газолазерную резку листовых материалов, оценка основных параметров 19
1.3. Анализ состояния исследований 34
1.4. Анализ существующих методов диагностики и визуализации, применимых к лазерной резке металлов 42
Выводы к главе 1 48
Глава 2. Экспериментальные исследования особенностей течения вспомагателыюго газа в каналах, геометрически подобных лазерному резу
2.1 Постановка задачи, методика моделирования и визуализации 49
2.2 Исследование сверхзвуковых течений в узких каналах применительно к резке с инертным газом 56
2.3. Исследование дозвуковых течений в узких каналах применительно к резке с кислородом . 64
Выводы к главе 2 70
Глава 3. Визуализация процессов лазерной резки на модельной установке, с использованием легкоплавких материалов 72
3.1 Модельная установка, анализ критериев подобия... 73
3.2 Процессы плавления, течения и разрушения пленки расплава парафина в условиях взаимодействия со струей подогретого воздуха 86 внутри плоского канала
3.3 Визуализация процессов внутри лазерного реза с использованием легкоплавкого сплава Розе 96
3.4 Модели образования бороздчатой шероховатости при кристаллизации расплава 110 Выводы к главе 3 119
Заключение 121
Список литературы 122
- Газолазерная резка металлов: основные технические достижения на сегодняшний день
- Анализ существующих методов диагностики и визуализации, применимых к лазерной резке металлов
- Исследование дозвуковых течений в узких каналах применительно к резке с кислородом
- Процессы плавления, течения и разрушения пленки расплава парафина в условиях взаимодействия со струей подогретого воздуха 86 внутри плоского канала
Введение к работе
В данной работе исследуются сложные физические процессы, сопровождающие лазерную резку металлов. Основная часть результатов получена методами экспериментального моделирования с визуализацией явлений, протекающих внутри реза. Лазерная резка 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, возможность быстро вырезать детали практически любой геометрической сложности, делают эту технологию незаменимой при мелкосерийном производстве.
С появлением все более мощных лазеров и разработкой на их основе лазерных технологических комплексов возникает необходимость в расчетно-экспериментальных исследованиях процессов, сопровождающих лазерную резку. При лазерной резке металл плавится в пределах пятна излучения и удаляется струей вспомогательного газа сквозь образующийся разрез. Качество резки листовых материалов характеризуется шириной реза, степенью перпендикулярности боковых поверхностей к плоскости листа, их шероховатостью, наличием или отсутствием грата (затвердевших капель с тыльной стороны разреза) 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 для случая тонких листовых материалов. С увеличением толщины
разрезаемого листа до 10 мм и более, технологические режимы становятся менее устойчивыми, значительно возрастают такие дефекты качества, как бороздчатая шероховатость и грат. Есть основания предполагать, что это связано с ухудшением продуваемости лазерного реза вспомогательным газом и нарушением эффективного выноса расплава из узкого и глубокого канала. Достоверные сведения и представления о механизмах тех процессов, которые протекают внутри лазерного реза, в настоящее время отсутствуют. Методы диагностики лазерной резки в натурных условиях (на автоматизированном лазерном технологическом комплексе) не развиты из-за непрозрачности стенок реза, наличия высокой температуры и излучения.
Теоретические исследования процессов лазерной обработки, в том числе и лазерной резки материалов, восходят к работам А.А. Веденова, Г.Г. Гладуша, Н.Н. Рыкалина, B.C. Голубева, А.Г. Григорьянца, Н. К. Макашова, В.Г. Низьева, J. 'Powell, W.M. Steen, A.V. La Rocca, A. A. Kaplan, K. Minamida, J. Duan, H.C. Man, K. Chen, Y.L. Yao, W. O'Neill, J.T. Gabzdyl и многих других, в трудах которых создана общая теория взаимодействия излучения с металлами, построены аналитические модели ряда задач, 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.
Общая ситуация такова, что нет достоверных представлений о тех процессах, которые протекают непосредственно внутри узкого канала при лазерной резке. В результате, известные на сегодняшний день модели образования бороздчатой шероховатости и грата существуют только в форме гипотез и часто противоречат друг другу. В связи с этим высокую актуальность имеют модельные эксперименты, где возможна визуализация процессов, происходящих внутри канала резки.
Цель работы
Исследование физических процессов, протекающих внутри лазерного
разреза на модельной установке, с применением методов визуализации.
Задачи
Исследование струйных течений вспомогательных и рабочих газов для обеспечения хорошей продуваемости лазерного реза и эффективного удаления расплавленного металла.
Моделирование лазерной резки с использованием легкоплавких материалов. Визуализация механизмов удаления расплава и образования шероховатости.
3.Разработка практических рекомендаций по управлению параметрами для повышения качества деталей и эффективности резки на автоматизированном лазерном технологическом комплексе.
Научная новизна
Новыми научными результатами диссертационной работы являются:
Проведены широкомасштабные модельные эксперименты с визуализацией потоков газа в каналах, подобных лазерному резу. Качественно новые результаты удалось получить с применением метода жидких покрытий.
Изучено явление отрыва газового потока от передней стенки канала, исследованы физические механизмы его негативного влияния на качество поверхности образцов, получаемых в результате лазерной резки с инертным вспомагательным газом. Варьированием параметров на модельной установке определены режимы, позволяющие предотвратить или задержать отрыв потока.
Внутри канала обнаружено вихревое течение, что позволило объяснить факт зашлаковывания нижней части канала при лазерной резке с кислородом. Методами визуализации найдены режимы работы с двойным коаксиальным соплом, при которых вихрь исчезает.
Впервые, с использованием легкоплавких материалов, поставлены модельные эксперименты с визуализацией явлений внутри лазерного реза.
Изучены процессы удаления расплава при лазерной резке. Обнаружено, что пленка расплава внутри канала разрушается на капли. Определены
механизмы формирования шероховатости, которые имеют капельную и пленочную природу.
Практическая значимость
На основе анализа результатов проведенных исследований сформулированы практические рекомендации, которые позволили улучшить качество поверхности реза. Режимы, отработаные с двойным коаксиальным соплом на модельной установке, позволили на 20 % повысить скорость резки толстых (15, 20 мм) листов малоуглеродистой стали. С использованием результатов визуализации удалось технически реализовать кислородную резку с поддержкой лазерным лучом и перейти к резке более толстых листовых металлов толщиной от 30 до 50 мм. Результаты работы могут быть использованы на промышленных установках, что позволит существенно повысить эффективность лазерной резки толстых листовых материалов.
Достоверность результатов
Особенности газодинамических течений, наблюдаемые в модельных экспериментах, получены независимо различными методами визуализации, а также проводилось сравнение с расчетами и натурными экспериментами. При проведении экспериментов на легкоплавком сплаве в условиях физического подобия соблюдались такие критерии как числа Рейнольдса, Прандтля, Стефана, и Вебера. Поверхности образцов, полученные в модельном и натурном экспериментах, обнаруживают высокую степень сходства. Это обеспечивает достоверность сделанных в работе выводов.
На защиту выносятся все применяемые методы экспериментального моделирования и визуализации, постановки задач, а также результаты, интерпретация полученных данных и математические модели наблюдающихся физических процессов. К числу главных защищаемых результатов следует отнести:
- Постановка модельных экспериментов с визуализацией потока газа в
каналах, подобных лазерным резам. Выбор, адаптация и развитие методов
визуализации.
- Результаты экспериментального моделирования сверхзвуковых и
дозвуковых струйных течений газа в узких каналах, их анализ, а также
сформулированные выводы и практические рекомендации.
Методы экспериментального моделирования лазерной резки с использованием легкоплавких материалов. Анализ критериев подобия происходящих процессов.
Механизмы удаления расплава и образования шероховатости, зарегистрированные в модельном эксперименте. Математические оценки и модели этих механизмов.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах академика В.М. Фомина в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН, а также на различных российских и международных конференциях:
- IX Всероссийская Научная Конференция Студентов-Физиков и молодых
ученых, Красноярск, 2003;
- XLI Международная научная студенческая конференция «Студент и
научно-технический прогресс». Новосибирск, 2003.
IV, XII и XIII Международная конференция по методам аэрофизических исследований (ICMAR), Новосибирск, 2004, 2007,2008;
Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов -2005», Москва, 2005;
XXVII Международный конгресс по скоростной фотографии и фотонике (27th HSPP). Сиань, Китай, 2006;
IX Международная конференция по лазерам и лазерно-информационным технологиям (ICLLIT 9,ь), Смолян, Болгария, 2006;
Всероссийская конференция «Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва», Новосибирск, 2007;
XXVI, XXVII Международная конференция по применению лазеров и электро-оптических устройств (26th ,27th ICALEO). США. Орландо, 2007; Темекула, 2008.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 3 статьях в рецензируемых журналах; в 13 материалах всероссийских и международных конференций, из которых 6 докладов и 7 тезисов докладов.
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 методы визуализации на модельных установках, на которых получена основная часть результатов работы. Результаты совместных работ представлены в диссертации с согласия соавторов. Автор выражает благодарность всем соавторам.
Краткое содержание работы по главам
Первая глава содержит детальное описание 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, приводятся оценки основных физических параметров процессов, здесь же представлены главные безразмерные комплексы, характеризующие
лазерную резку материалов, и сформулированы причины ухудшения качества поверхности. В третьей и четвертой частях дан обзор и представлен анализ существующих в мире работ по теме проведенных автором диссертации исследований. В третьей части дается обзор научных исследований лазерной резки металлов, в четвертой проводится анализ возможных методов регистрации и диагностики.
Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию динамики вспомогательного газа в каналах, подобных лазерным резам. Для визуализации потоков в плоских каналах используются теневые методы, а также жидкие покрытия. В первой части формулируется постановка задачи и излагается реализация модельной установки. Обосновываются причины тех или иных упрощений, оценивается степень соответствия модельных экспериментов реальным. Здесь же приводится описание используемых методов визуализации. Во второй части изложено исследование сверхзвуковых потоков в плоских каналах. Такие течения характерны для резки нержавеющей стали, титана и других материалов, разрезаемых на АЛТК с инертным вспомогательным газом. Основной объект исследования здесь - явление отрыва потока от стенки канала, имитирующей фронт резки. Как показано, отрыв присутствует в широком диапазоне значений параметров процесса и всегда оказывает негативное влияние. В отрывной зоне возникает возвратное течение, вызывающее резкое изменение силового действия газа на расплав, что нарушает его унос. Это приводит к радикальному ухудшению качества поверхности в нижней части реза и к снижению энергетической эффективности процесса резки. С приминением методов визуализации исследованы механизмы воздействия на отрыв за счет изменения следующих параметров: давление в накопительной камере, конфигурация газодинамического сопла (коническое или конфузорно-диффузорное), ширина и длина канала. Определены параметры технологического процесса, при которых удается предотвратить отрыв потока. В третьей части приведены результаты моделирования газодинамических условий лазерной резки со вспомогательным газом
кислородом. Здесь используются меньшие давления (до 2 атм) в накопительной камере, и в канале формируются дозвуковые течения. Визуализация таких течений проведена впервые, для этого применен метод жидких покрытий. В нижней части внутри канала обнаружен вихрь, наличие которого объясняет факт зашлаковывания нижней кромки реза в натурных экспериментах. Газодинамические режимы без вихря удалось достичь с применением двойного коаксиального сопла.
В третьей главе представлены результаты моделирования лазерной резки с помощью легкоплавких материалов. За счет снижения температуры в таком эксперименте появляется возможность одну из стенок канала реза заменить стеклом, и через него наблюдать и регистрировать процесс резки. Детальная информация о методах моделирования и скоростной фоторегистрации процесса изложена в первой части главы. Проводилось два типа экспериментов, где в качестве легкоплавких материалов использовались: парафин, с температурой плавления 54С, и сплав Розе, плавящийся при 96С. Плавление парафина осуществлялось струей подогретого воздуха, что на первом этапе исследований позволило получить общие представления о процессах плавления, течения и разрушения пленки расплава потоком газа. Эксперимент, более приближеный к реальному, поставлен при резке металлического сплава Розе излучением пониженной мощности. Проведен анализ критериев подобия, и обоснована применимость модельных экспериментов к описанию реального процесса резки.
Во второй части излагаются результаты моделирования с использованием парафина. Основная часть исследования посвящена изучению поведения пленки расплава, стекающей по фронту реза при взаимодействии с потоком газа. Показано, что с увеличением давления, под которым истекает струя газа, на поверхности пленки сначала появляются волны, затем она начинает разрушаеться на капли. Наблюдалось два механизма разрушения: на выступах, если фронт реза имеет неровности; и в режиме распыления. Приведены физико - математические модели этих механизмов с вычислением диаметра
образующихся капель. Кроме этого исследовано поведение пленки, остающейся на боковых поверхностях. Обнаружены вихревые структуры в форме гантели, которые предположительно связаны с наличием горизонтальных полос на образцах лазерной резки металла. Наиболее важный результат состоит в том, что с уменьшением температуры струи, когда пленка начинает застывать, формируется бороздчатая структура, напоминающая шероховатость образцов лазерной резки, и грат. Тот факт, что бороздчатая структура и грат получены без участия лазерного излучения, свидетельствует о гидро-газодинамической природе этих дефектов качества.
Третья часть посвящена результатам визуализации процесса резки металлического сплава Розе излучением пониженной мощности. Основной целью ставилось изучение механизмов роста . шероховатости на формирующейся при резке металлической стенке. Обнаружено что шероховатость образуется на расстоянии от фронта реза, превышающем диаметр лазерного пучка, при кристаллизации расплава в условиях обтекания поверхности потоком газа. Отмечается разнообразие режимов удаления расплава в зависимости от скорости резки и газодинамики вспомогательного газа. Проводятся параллели с результатами второй главы. Рассматривается два основных механизма образования шероховатости, которые различаются характером переноса расплава в зону кристаллизации: в виде капель и в виде пленки. При наличии отрыва потока газа возникают дополнительные эффекты, вызванные вихрем внутри канала. Резкое увеличение шероховатости связано с тем, что вихрь удерживает расплав, нарушая его удаление. Вся область вихря оказывается заполнена каплями расплава, которые, во-первых, препятствуют распространению лазерного луча в нижнюю часть канала, во-вторых, прилипают к стенкам, увеличивая шероховатость. В результате, на высоте положения точки отрыва появляется ярко выраженная полоса, ниже которой шероховатость резко увеличивается. Наличие на некоторых образцах, получаемых на АЛТК, нескольких горизонтальных полос может быть объяснено многократным отрывом-присоединением потока. Эксперементально
зарегистрированы режимы с двумя вихрями внутри канала, при этом образующаяся шероховатость имеет три яруса.
В четвертой части приводятся физико-математические модели образования шероховатости при кристаллизации расплава. Для оценки скорости роста высот шероховатости эта величина сопоставляется со скоростью распространения волны кристаллизации при затвердевании расплава на поверхности боковой стенки. На основе упрощенного решения уравнения теплопроводности вычисляется распледеление температуры вблизи поверхности стенки. Рассчитывается тепловой поток, который определяет скорость кристаллизации. Для рассчета высот шероховатости скорость кристаллизации умножается на ширину штриха, наблюдаемую в эксперименте. Полученное числовое значение согласуется с результатами эксперимента. Построена феноменологическая модель влияния продольных вихрей в пограничном слое потока газа на формирование бороздчатой шероховатости. Показано, что продольные вихри способствуют переносу расплава из борозд на бугры, что увеличивает шероховатость при его затвердевании.
В заключении диссертации приводятся основные результаты и выводы.
На основе проведенных исследований сформулированы технические рекомендации по управлению параметрами резки, которые были успешно использованы в экспериментах на АЛТК ИПТМ СО РАН при отработке практических технологий лазерной резки толстолистовых металлов.
Автор выражает глубокую благодарность своим научным руководителям Ковалеву О.Б. и Петрову А.П., а также Оришичу A.M. и Лущаеву Г.Е. за поддержку в выполнении работы, помощь при постановке задач и обсуждении полученных результатов. А также благодарит Зайцева А.В., Ермолаева Г.В. и Шулятьева В.Б за совместно выполняемые работы, полезные дискуссии и советы.
Газолазерная резка металлов: основные технические достижения на сегодняшний день
Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию динамики вспомогательного газа в каналах, подобных лазерным резам. Для визуализации потоков в плоских каналах используются теневые методы, а также жидкие покрытия. В первой части формулируется постановка задачи и излагается реализация модельной установки. Обосновываются причины тех или иных упрощений, оценивается степень соответствия модельных экспериментов реальным. Здесь же приводится описание используемых методов визуализации. Во второй части изложено исследование сверхзвуковых потоков в плоских каналах. Такие течения характерны для резки нержавеющей стали, титана и других материалов, разрезаемых на АЛТК с инертным вспомогательным газом. Основной объект исследования здесь - явление отрыва потока от стенки канала, имитирующей фронт резки. Как показано, отрыв присутствует в широком диапазоне значений параметров процесса и всегда оказывает негативное влияние. В отрывной зоне возникает возвратное течение, вызывающее резкое изменение силового действия газа на расплав, что нарушает его унос. Это приводит к радикальному ухудшению качества поверхности в нижней части реза и к снижению энергетической эффективности процесса резки. С приминением методов визуализации исследованы механизмы воздействия на отрыв за счет изменения следующих параметров: давление в накопительной камере, конфигурация газодинамического сопла (коническое или конфузорно-диффузорное), ширина и длина канала. Определены параметры технологического процесса, при которых удается предотвратить отрыв потока. В третьей части приведены результаты моделирования газодинамических условий лазерной резки со вспомогательным газом кислородом. Здесь используются меньшие давления (до 2 атм) в накопительной камере, и в канале формируются дозвуковые течения. Визуализация таких течений проведена впервые, для этого применен метод жидких покрытий. В нижней части внутри канала обнаружен вихрь, наличие которого объясняет факт зашлаковывания нижней кромки реза в натурных экспериментах. Газодинамические режимы без вихря удалось достичь с применением двойного коаксиального сопла.
В третьей главе представлены результаты моделирования лазерной резки с помощью легкоплавких материалов. За счет снижения температуры в таком эксперименте появляется возможность одну из стенок канала реза заменить стеклом, и через него наблюдать и регистрировать процесс резки. Детальная информация о методах моделирования и скоростной фоторегистрации процесса изложена в первой части главы. Проводилось два типа экспериментов, где в качестве легкоплавких материалов использовались: парафин, с температурой плавления 54С, и сплав Розе, плавящийся при 96С. Плавление парафина осуществлялось струей подогретого воздуха, что на первом этапе исследований позволило получить общие представления о процессах плавления, течения и разрушения пленки расплава потоком газа. Эксперимент, более приближеный к реальному, поставлен при резке металлического сплава Розе излучением пониженной мощности. Проведен анализ критериев подобия, и обоснована применимость модельных экспериментов к описанию реального процесса резки.
Во второй части излагаются результаты моделирования с использованием парафина. Основная часть исследования посвящена изучению поведения пленки расплава, стекающей по фронту реза при взаимодействии с потоком газа. Показано, что с увеличением давления, под которым истекает струя газа, на поверхности пленки сначала появляются волны, затем она начинает разрушаеться на капли. Наблюдалось два механизма разрушения: на выступах, если фронт реза имеет неровности; и в режиме распыления. Приведены физико - математические модели этих механизмов с вычислением диаметра образующихся капель. Кроме этого исследовано поведение пленки, остающейся на боковых поверхностях. Обнаружены вихревые структуры в форме гантели, которые предположительно связаны с наличием горизонтальных полос на образцах лазерной резки металла. Наиболее важный результат состоит в том, что с уменьшением температуры струи, когда пленка начинает застывать, формируется бороздчатая структура, напоминающая шероховатость образцов лазерной резки, и грат. Тот факт, что бороздчатая структура и грат получены без участия лазерного излучения, свидетельствует о гидро-газодинамической природе этих дефектов качества.
Третья часть посвящена результатам визуализации процесса резки металлического сплава Розе излучением пониженной мощности. Основной целью ставилось изучение механизмов роста . шероховатости на формирующейся при резке металлической стенке. Обнаружено что шероховатость образуется на расстоянии от фронта реза, превышающем диаметр лазерного пучка, при кристаллизации расплава в условиях обтекания поверхности потоком газа. Отмечается разнообразие режимов удаления расплава в зависимости от скорости резки и газодинамики вспомогательного газа. Проводятся параллели с результатами второй главы. Рассматривается два основных механизма образования шероховатости, которые различаются характером переноса расплава в зону кристаллизации: в виде капель и в виде пленки. При наличии отрыва потока газа возникают дополнительные эффекты, вызванные вихрем внутри канала. Резкое увеличение шероховатости связано с тем, что вихрь удерживает расплав, нарушая его удаление. Вся область вихря оказывается заполнена каплями расплава, которые, во-первых, препятствуют распространению лазерного луча в нижнюю часть канала, во-вторых, прилипают к стенкам, увеличивая шероховатость. В результате, на высоте положения точки отрыва появляется ярко выраженная полоса, ниже которой шероховатость резко увеличивается. Наличие на некоторых образцах, получаемых на АЛТК, нескольких горизонтальных полос может быть объяснено многократным отрывом-присоединением потока. Эксперементально зарегистрированы режимы с двумя вихрями внутри канала, при этом образующаяся шероховатость имеет три яруса.
В четвертой части приводятся физико-математические модели образования шероховатости при кристаллизации расплава. Для оценки скорости роста высот шероховатости эта величина сопоставляется со скоростью распространения волны кристаллизации при затвердевании расплава на поверхности боковой стенки. На основе упрощенного решения уравнения теплопроводности вычисляется распледеление температуры вблизи поверхности стенки. Рассчитывается тепловой поток, который определяет скорость кристаллизации. Для рассчета высот шероховатости скорость кристаллизации умножается на ширину штриха, наблюдаемую в эксперименте. Полученное числовое значение согласуется с результатами эксперимента. Построена феноменологическая модель влияния продольных вихрей в пограничном слое потока газа на формирование бороздчатой шероховатости. Показано, что продольные вихри способствуют переносу расплава из борозд на бугры, что увеличивает шероховатость при его затвердевании.
Анализ существующих методов диагностики и визуализации, применимых к лазерной резке металлов
Мощное лазерное излучение(І) фокусируется на лист металла(2), поглощенное излучение (и энергия экзотермической реакции окисления металла в случае резки с кислородом) разогревает металл до температуры плавления. На поверхности образуется тонкая пленка расплава (3). Под действием газа(4), который подается через газодинамическое сопло(5), расплав движется на фронте реза в виде тонкой пленки или разрушается газовым потоком на капли и выносится из области реза(6). Лазерный луч, передвигается, образуя узкий рез (7).
Для описания реальной картины лазерной резки металлов необходимо рассматривать целый ряд сопряженных задач физики: — взаимодействие лазерного излучения с поверхностью металла; — распространение тепла в твердом теле и плавление металла, которое описывается уравнениями теплопроводности и двухфазной задачей Стефана; — истечение газовой струи, и ее динамическое взаимодействие с расплавленным металлом — уравнения газовой динамики и Навье-Стокса; — образование расплава металла и его течение в виде жидкой пленки — уравнения пограничного слоя для несжимаемой жидкости; — экзотермические химические реакции окисления металла. Решение указанных уравнений в полной сопряженной постановке чрезвычайно затруднено и не представляется возможным. В большинстве опубликованных теоретических работ предлагается подход, в котором общая постановка задачи ГЛР расчленяется по физическим процессам на подзадачи, каждую из которых при определенных предположениях удается разрешить аналитически или численно. В результате часто бывает, что согласованность решаемых подзадач теряется.
В настоящее время в промышленности России и за ее пределами широко используются С02 лазеры непрерывного действия мощностью до 10 кВт. Длина волны излучения таких лазеров Я = 10.бмкм. В зависимости от толщины разрезаемого материала для фокусировки пучка применяют линзы с различными фокусными расстояниями таким образом, чтобы рез получался как можно уже. Исходя из соотношения неопределенности можно оценить минимальную ширину реза . Для листа толщиной 5 мм получим 250 мкм, для листа 30мм — 600 мкм. Современное оптическое оборудование позволяет получать пучки с характеристиками, близкими к дифракционному пределу. Качество излучения определяется модовым составом и поляризацией. Оптимальным считается пучок, по характеристикам близкий к Гауссову (мода ТЕМ0о). Если в излучении будут присутствовать другие моды (ТЕМ0ь ТЕМю, ТЕМц и др.), то ширина реза увеличится, и, вероятней всего, уменьшится скорость резки. Кроме того, важно создать аксиально симметричный пучок, чтобы режим резки не менялся при изменении ее направления. Направленность поляризации сильно влияет на коэффициент поглощения излучения материалом. Поэтому на большинстве лазерных комплексов применяют круговую поляризацию.
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 вглубь металла. Если мощность падающего 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 чрезмерно высокой мощности ( 10 вт/м"") испарение становится преобладающим механизмом удаления материала. В процессе лазерной резки обычно интенсивность поглощенного излучения на поверхности металла составляет порядка 10 Вт/м . Основным процессом на поверхности металла будет являться плавление.
Для того чтобы добиться качественного удаления расплава, нужно создать газовый поток, который бы оказывал достаточное силовое воздействие 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 1,1- 1,5 атм), а при резке с нейтральным газом поток разгоняется до сверхзвуковых скоростей М« 1,5 -ь 3,5 (рабочие давления 6-15 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 [6-18] (где рт - давление газа при входе в рез, ра - атмосферное давление, Н - толщина пластины). Такое приближение допустимо только при отсутствии скачков уплотнения и вихрей внутри канала. При резке толстолистовых материалов может возникать течение с целой системой скачков уплотнения ( с инертным газом) и вихревыми образованиями. Поэтому для анализа течения газа требуется аккуратное либо экспериментальное, либо численное моделирование газодинамики процесса.
Силы, действующие па жидкую пленку со стороны газовой струи Вытеснение расплава из канала происходит как под действием вязкого трения с газовым потоком, так и в силу перепада давления в газе, который также распространяется и на жидкую пленку [13]. Приведем оценки для обоих механизмов и покажем, что эти два воздействия получаются сравнимы по порядку величины. Действие вязкого трения характеризуется величиной касательного напряжения х (сила, приходящаяся на единицу поверхности пленки).
Исследование дозвуковых течений в узких каналах применительно к резке с кислородом
Выбору оптимальных параметров излучения посвящены работы [20,36-45]. В [20] 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 [36-39] приведен расчет формы поверхности при лазерной резке металлов с учетом различной поляризации луча. На основе результатов делается вывод о том, что радиальная поляризация излучения для резки металла более выгодна, чем круговая. Такую поляризацию можно получить наложением двух взаимно перпендикулярных ТЕМ0і -мод. Вопросу получения такой поляризации посвящены работы [40,41].
Анализ влияния заглубления фокуса представлен в ряде работ [6, 26, 42, 43]. Главный тезис этих исследований состоит в том, что при заглублении фокуса на середину пластины удается достичь максимальной скорости резки.
Для оптимизации параметров лазерного излучения существуют и другие, более оригинальные методы. Например, в работе [44] экспериментально исследуется лазерная резка при использовании линзы с двойным фокусом, а в [45] изучают резку с двумя лазерными лучами. 2) Газодинамика внутри канала резки. Как правило, пренебрегается шероховатостью и наличием жидкой пленки, рассматривается упрощенная геометрия канала, например, с плоскими стенками. Часто пренебрегается тепловыделением на нагретых поверхностях. Решение подзадачи в такой постановке возможно как методом компьютерного, так и экспериментального моделирования. Основной целью при решении ставится определение силового воздействия струи газа на расплав. Удается определить преимущество того или иного сопла, оптимизировать расход газа. Исследованию газодинамических процессов лазерной резки посвящено множество статей [21-25,46-55].
Н.С. Man и J. Duan [46] исследовали методом теневой визуализации сверхзвуковые течения для различных сопел, применяемых при лазерной резке. Также представлены результаты численного моделирования таких течений в осесимметричной постановке. Однако исследования ограничивались истечением струи в свободное пространство, а область реза ни в экспериментах, ни в вычислениях не рассматривается. Эти же авторы [47-49] использовали аналитическую теорию плоских сверхзвуковых течений идеального газа для описания газовой динамики внутри реза. Получена картина распространения волн разрежения и ударных волн, которые попеременно отражаются от фронта реза (границы металла) и искусственно задаваемой криволинейной границы струи. Однако, предполагалось, что фронт реза отклонен от вертикали и имеет значительный угол с осью сопла, хотя на самом деле это отклонение незначительно, тангенс угла наклона как правило не превышает отношение диаметра пучка к толщине материала. Характерная структура течения в канале так и не была правильно отображена.
Chen К. и др. в [50, 51] для тех же целей решали уравнения Навье-Стокса в осесимметричной постановке. Задача сводилась к распространению газовой струи в круглое отверстие. Однако особенность геометрии реальных процессов такова, что расчет течения газа в области реза необходимо проводить в трехмерной постановке, поэтому им также не удалось получить правильную физическую картину.
В [52, 53] экспериментально, методом теневой визуализации и численно, в трехмерной постановке в программном пакете Fluent изучалось натекание свободной струи на наклонную поверхность. Хотя результаты позиционируются как относящиеся к процессу лазерной резки, но их интерпретация не позволяет оценить влияние боковых стенок и ширины канала.
В [6] методом зондирования измерялось распределение давления и скорости потока газа в канале, подобном лазерному резу, но с увеличенными размерами. Здесь впервые упоминается о возможности возникновения отрывного течения внутри реза и о его влиянии на качество поверхности.
Во многих работах (в частности, в [46-51]) утверждается, что использование сверхзвукового сопла позволяет улучшить процесс выноса материала и сделать процесс резки более устойчивым. В экспериментах по лазерной резке матричного Si/Al металлокомпозита толщиной 2 мм и нержавеющей стали толщиной 5 мм [51] было обнаружено, что одинаковой чистоты и качества рез получается, если использовать коническое сопло при давлении инертного газа в 1-3 МПа, в то время как использование сверхзвукового сопла позволяет добиться того же результата при более низком давлении 0.5-1 МПа.
В работах по моделированию динамики рабочего газа при низких давлениях в сопле [21, 22], характерном для случая лазерной резки с кислородом, исследуют влияние степени загрязнения кислорода на качество резки. При этом плюсы от применения двойного коаксиального сопла [21, 24] объясняются лишь защитными функциями его буферной части, которая исключает приток в основную кислородную струю воздуха из атмосферы.
В [54, 55] приведены экспериментальные данные и построена теоретическая модель для описания влияния кислорода на процесс лазерного сверления металлов. Утверждается что оксид, образующийся в процессе лазерного сверления с кислородом, влияет двояко: 1) изменяя поглощательную способность поверхности; 2) изменяя температуру, требуемую для удаления расплава (из-за различия температуры плавления металла и оксида).
Процессы плавления, течения и разрушения пленки расплава парафина в условиях взаимодействия со струей подогретого воздуха 86 внутри плоского канала
Физические процессы, сопровождающие лазерную резку, весьма сложны, и без наглядного представления о том, что именно происходит внутри лазерного реза, сложно построить адекватную математическую модель или предсказать режимы резки, при которых качество будет оптимальным. Как уже отмечалось, диагностика процесса лазерной резки на натурной установке сильно осложнена высокой температурой, малой шириной канала и непрозрачностью стенок. Единственный возможный вариант визуализации формы канала в этих условиях- это регистрация на просвет жестким рентгеновским излучением. Такая методика успешно применяется для визуализации паро-газового канала при лазерной сварке методом кинжального проплавлення [66,67]. При этом берутся две пластины как можно тоньше, чтобы только была возможна сварка. Работ по визуализации лазерной резки подобным методом в литературе не представлено.
В настоящее время активно ведутся исследования возможности применения оптических, акустических и других датчиков для мониторинга процессов лазерной обработки, в т. ч. резки [68-71] в реальном времени. С использованием таких датчиков предпринимаются попытки организовать обратную связь, то есть автоматизировать выбор оптимальных параметров резки с возможностью их изменения во время процесса (необходимость изменения может возникать, например, при повороте контура резки). L.S. Cheng в своей работе [68] помещал в канал резки тонкое оптоволокно, на другом конце которого был расположен фотосенсор. Регистрировалось излучение, генерируемое на фронте реза во время процесса лазерной резки со вспомогательным газом кислородом. Обнаружено, что в светимости имеются колебания, совпадающие по периоду с образованием регулярных штрихов шероховатости. Отмечается, что для организации обратной связи необходимо более детальное понимание физических процессов, сопровождающих лазерную резку. В [69] предпринята попытка использования датчиков ультразвуковой вибрации для детекции возникновения остаточных напряжений и генерации трещин во время лазерной резки стальных деталей, полученых с глубоким отпуском. Датчиками регистрировалась акустическая эмиссия в зоне термического воздействия. По результатам планировалось определить оптимальную последовательность выполнения частей контура вырезания деталей (частей автомобиля), соответствующую минимальным остаточным напряжениям. Отмечается, что шумы, обусловленные наличием газовой струи при резке, превышают полезный сигнал. В результате удалось выделить полезный сигнал только во время перерывов в резке (холостой ход резака). В [70] проводится сравнение эффективности применения акустических и оптических датчиков для мониторинга процессов лазерной резки и лазерного сверления. Оптические датчики (фотодиоды) располагались в головке лазерного резака. С помощью датчиков обоих типов удается диагностировать момент проникновения насквозь при лазерном сверлении. Отмечается, что отношение полезного сигнала к шуму у оптических датчиков (фотодиодов) значительно выше. При лазерной резке с кислородом установлена корреляция между сикналом фотодиода и наклоном борозд шероховатости, а также корелляция среднеквадратичного отклонения этого сигнала с шероховатостью поверхности. В частности, среднеквадратичное отклонение сигнала сильно увеличивается при возникновении бокового горения. Также в работе отмечается, что сигналы датчиков не коррелируют с шириной канала и степенью перпендикулярности стенок реза плоскости листа. Рассматривались и такие экзотические варианты мониторинга, как диагностика траекторий частиц расплава, покидающих канал [71]. На данный момент не предложено какой-либо технической реализации применения обратной связи для улучшения качества образцов при лазерной резке. Исследования возможности применения датчиков рассматриваются как первый шаг в этом направлении. В других технологических операциях с применением лазера, таких, как сварка и порошковая наплавка, in-citu диагностика процессов оказывается более эффективной. Здесь возможна как киносъемка процессов, так и пирометрия - измерение поля скорости по светимости материала. В силу высокой скорости этих процессов необходимо применять скоростные камеры и пирометры. В [72,73] представлены результаты киносъемки и пирометрии технологических процессов с применением мощных лазеров, в т. ч. порошковой наплавки. Применение таких методов к лазерной резке будет эффективным, если одну из стенок канала резки выполнить из стекла. Это возможно в модельном эксперименте с легкоплавкими сплавами.
Поскольку качество поверхности при лазерной резке во многом определяется качеством излучения и газодинамического течения внутри канала резки, весьма актуально проводить диагностику этих двух составляющих процесса перед тем, как проводить резку металла. Лазерное излучение СОг лазера находится в инфракрасном диапазоне (длина волны 10.6 мкм), и для его диагностики применяются специальные методы. Для определения формы и распределения интенсивности лазерного излучения в пучке применяется оргстекло. При взаимодействии лазерного пучка высокой мощности с оргстеклом основным процессом является испарение материала. Если сдувать пары оргстекла инертным газом, чтобы они не загорались, можно получать трехмерные «отпечатки» лазерного пучка, где глубина пропорциональна интенсивности в даннной точке поверхности [74]. Таким образом, перед резкой можно убедиться в том, что качество пучка лазера удовлетворяет определенным требованиям.
