Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Лазерная резка, анализ состояния исследований .
1.1 Лазерная резка металлов, основные виды. 12
1.2 Анализ состояний исследования . 18
Выводы к главе 1. 24
Глава 2. Описание экспериментальной установки и методов измерения .
2.1 Введение. 25
2.2 Технологические комплексы для резки на основе С02-лазера с СФР. 32
2.3 Сравнение СФР и УР на характеристику лазерного реза . 37
2.3.1 Низкоуглеродистая сталь. 37
2.3.2 Коррозионно-стойкая сталь. 40
2.4 Шероховатость поверхности реза и методы ее измерения. 42
2.4.1 Шероховатость поверхности. 42
2.4.2 Методы и средства определения шероховатости поверхности. 46
2.4.3 Принцип работы конфокального микроскопа. 48
Выводы к главе 2. 50
Глава 3. Изучение характера зависимостей основных параметров реза от условий эксперимента .
3. Введение. 51
3.1 Оптическая система лазерной резки металла. 54
3.2 Ширина реза в зависимости от положения фокуса и фокусного расстояния . 60
3.3 Шероховатости поверхности реза в зависимости от скорости резки 67
3.4 Область качественныхрезов в координатах Vc— АР, зависимость
ширины реза от давления кислорода. 68
3.5 Ширина реза при различной толщине листа. 72
Выводы к главе 3. - 74
Глава 4. Законы подобия и энергетические закономерности лазерно-кислородной резки толстых стальных листов .
4.1 Безразмерные параметры при лазерно-кислородной резки стали. 75
4.2 Энергетические закономерности лазерно-кислородной резки металлов . 85
Выводы к главе 4.
Заключение. 99
- Анализ состояний исследования
- Сравнение СФР и УР на характеристику лазерного реза
- Ширина реза в зависимости от положения фокуса и фокусного расстояния
- Энергетические закономерности лазерно-кислородной резки металлов
Введение к работе
Актуальность работы
Лазерно-кислородная резка листовых материалов из низкоуглеродистых сталей, выполняемая на автоматизированных лазерных технологических комплексах (АЛТК), широко распространена в таких областях промышленности, как машиностроение, авто- и приборостроение. Важнейшей характеристикой данного вида обработки является качество реза, которое определяется в первую очередь шероховатостью поверхности реза и отсутствием грата в нижней части реза. Несмотря на большое количество теоретических и экспериментальных исследований, до начала данной работы отсутствовала полная и взаимосвязанная картина физических процессов, определяющих качество реза. В особенности это относится к области толстых стальных листов. Существующие теоретические модели резки толстых стальных листов недостаточно развиты. Данные модели не позволяют обосновать взаимосвязь оптимальных параметров резки, законы их изменения с толщиной разрезаемого листа или же содержат значительные упрощения и имеют оценочный характер. Экспериментальные исследования, касающиеся главным образом области тонких листов (толщиной менее 10 мм), получены в разных условиях и не содержат полную информацию об условиях экспериментов, что значительно затрудняет их обобщение.
Актуальным остается проведение детального комплексного исследования, целью которого является, в частности, поиск энергетических закономерностей качественного реза, позволяющих определить оптимальные условия резки в области больших толщин.
Цель работы: Оптимизация процесса лазерно-кислородной резки низкоуглеродистой стали по критерию минимума шероховатости, экспериментальный поиск безразмерных параметров и законов подобия, определяющих свойства лазерной резки сталей в области толщин 5-25 мм.
Задачи исследования
Исследование энергетического баланса и поиск закономерностей оптимального лазерно-кислородного реза по критерию минимума шероховатости поверхности и отсутствие грата.
Поиск законов подобия и критериальных зависимостей, определяющих качественный рез.
Установление оптимальных соотношений между задаваемыми параметрами: мощностью лазерного излучения, скоростью резки и толщиной разрезаемого материала.
Научная новизна
1. Экспериментальным путем определено, что при лазерно-кислородной резке при условии минимальной шероховатости поверхности реза энергия лазерного излучения, приходящаяся на единицу объема удаляемого материала, остается постоянной.
Впервые установлено, что резка с максимальным качеством характеризуется оптимальным числом Пекле, и найдена его величина.
Установлено, что при условии минимума шероховатости поверхности входящие в баланс лазерно-кислородной резки энергетические потоки (поглощенная мощность излучения A W, мощность, выделяющаяся в результате экзотермической реакции окисления железа We, мощность, затрачиваемая на плавление металла Wm и потери в результате теплопроводности Wcond) отнесенные к толщине
разрезаемого материала, в пределах экспериментального разброса (15%) равны и остаются постоянными.
4. На основе впервые найденных критериальных зависимостей определены
соотношения, позволяющие установить значения мощности лазерного излуче
ния и скорости резки, при которых шероховатость поверхности реза минималь
на для данной толщины листа.
Практическая значимость работы
На основе результатов исследований определены технические параметры лазерно-кислородной резки низколегированных сталей в диапазоне толщин 5-25 мм с хорошим качеством реза. Это позволило разработать технологические карты, которые вместе с созданными в ИТПМ СО РАН лазерными комплексами используются на Опытном заводе СО РАН, Новосибирск (два АЛТК), в ООО «ПромЛазер», Кемерово, на производственном участке в ИТПМ СО РАН, Новосибирск.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов диссертационной работы определяется использованием современных методов измерений, сравнением экспериментальных данных с результатами исследований других авторов, воспроизводимостью результатов в многократных экспериментах, использованием единой методики при проведении исследований.
Основные результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались на международных конференциях и симпозиумах.
На защиту выносятся:
- Результаты исследования лазерно-кислородной резки толстых листов
(5-25 мм) низкоуглеродистых сталей при условии минимума шероховатости по
верхности реза.
Установленное значение энергии лазерного излучения, приходящееся на единицу объема удаляемого материала, при резке низкоуглеродистой стали с минимальной шероховатостью, равное 19,4 Дж/мм .
Минимальная шероховатость реза достигается при оптимальном значении двух безразмерных параметров - числа Пекле, Ре = Vcblу = 0,5-0,6, и удельной
мощности излучения, которая равна W/ AmtAT = 1,6.
- Потоки мощности, входящие в энергетический баланс лазерно-кислородной
резки для толщин 5, 10 и 16 мм, отнесенные к толщине разрезаемого листа
(AW/t,Wm/t,WCODd/t и We/t), остаются постоянными и не зависят от толщины листа в пределах экспериментального разброса 130-170 Вт/мм.
- Зависимости оптимальных значений скорости резки, мощности излучения от
толщины разрезаемого листа, которые записываются в следующем виде:
W = l94t, Vc =11/(0,35 + 0,020, где W [Вт], Vc [мм/с] и t [мм].
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах «Физико-химическая механика» в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, а также на различных российских и международных конференциях:
28th International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics ICALEO, Orlando, CA, USA, 2009;
29th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics ICALEO, Anaheim, CA, USA, 2010;
XVII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Laser Conference GCL/HPL, Lisbon, Portugal, 2008;
VI Int. Symposium Laser Technologies and Lasers, Smolyan, Bulgaria, 2009;
XIV Conference on the Methods of Aerophysical Research, Novosibirsk, Russia, 2008;
XV Conference on the Methods of Aerophysical Research, Novosibirsk, Russia, 2010;
Ill Всероссийская конференция «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине», Новосибирск, 2009;
Всероссийская молодежная конференция «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей», Новосибирск, 2010;
VII Всероссийская конференция молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии», Новосибирск, 2010;
Международная конференция по лазерам, их приложениям и технологиям, Казань, 2010.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 3 статьях в рецензируемых журналах и 11 материалах всероссийских и международных конференций. Получен один патент РФ на изобретение.
Личный вклад автора
При выполнении работ по теме диссертации диссертант принимал активное участие в постановке задач, подготовке и проведении экспериментов, обработке и анализе экспериментальных данных, обсуждении результатов, подготовке печатных работ и докладов на конференции. Основные результаты диссертации получены при непосредственном участии автора. Результаты совместных работ
представлены в диссертации с согласия соавторов. Автор выражает всем соавторам благодарность.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 105 страниц, в том числе 58 рисунков и 12 таблиц.
Анализ состояний исследования
При этом способе резки в зону реза подается струя активного газа (кислород). Струя кислорода выполняет тройную функцию - кроме того, что она удаляет из зоны реза продукты разрушения, происходит окисление металла и повышение коэффициента поглощения лазерного излучения, а также выделение дополнительной энергии в результате экзотермической реакции горения железа в кислороде. Доля энергии, которая выделяется в результате химической реакции, сравнима с энергией, подводимой лазерным лучом. Основной материал данного вида резки низколегированные, малоуглеродистые стали. Этот вид обработки характеризуется повышенными скоростями резки 1-20 м/мин [6], низкой шероховатостью поверхности реза. Иногда наличием легко удаляемого грата. Образец резки представлен на рис. 1.4.
Кислородная резка с поддержкой лазерным излучением СКРПЛ). Механизм образования реза в этом случае такой же, как при кислородной резке с нагревом металла пламенем, только роль пламени играет лазерное излучение. Отличие от лазерно-кислородной резки состоит в том, что канал реза формируется не лазерным лучом, а струёй кислорода. Излучение только нагревает материал металл до температуры воспламенения. Характеризуется очень низкими скоростями резки 0,2-0,3 м/мин, высоким давлением технологического газа. Большой шириной реза 2-5 мм [7, 8].
Резка с эжекцией. Способ отличается тем, что образование сквозного реза в металле происходит не за один проход, как при резке с выдуванием расплава, а за несколько последовательных проходов по одной траектории. Струя газа для удаления расплава не используется. Расплав выбрасывается из каверны силой давления паров. Процесс аналогичен сверлению отверстий импульсным лазером, но лазерный луч при воздействии на материал перемещается. При движении луча непрерывного лазера образуется паз, который углубляется при каждом проходе луча. Для дистанционной резки применяются мощные волоконные лазеры, способные создавать, на поверхности листа плотность мощности излучения 10 Вт/см и более. Лазер мощностью 5 кВт способен таким образом разрезать листы толщиной до 1,3 мм.
В настоящее время большинство среди промышленных лазеров, применяемых для резки, составляют СОг-лазеры. Для: резки тонких листов и вырезки деталей малых размеров используются также Nd:YAG лазеры. В последние годы интенсивно исследуются особенности лазерной резки с использованием твердотельных волоконных (иттербиевых) лазеров.
Основные особенности между резкой волоконными лазерами и резкой СС 2 лазерами можно сформулировать следующим образом.
Приведенные выше факты большинство авторов связывает с особенностями поглощения излучения с длиной волны 1 мкм и его распространения в канале реза [9]. Лазерная резка металлов в настоящее время успешно применяется на практике и продолжает развиваться [15]. На сегодняшний день самым массовым видом резки, применяемой в промышленности, является лазерно-кислородная резка. Материал резки: низкоуглеродистые и низколегированные стали.
Данный вид резки характеризуется высокой скоростью обработки, при этом интерес представляет получение качественного реза. Показателями качества реза являются величина грата (застывших капель расплава на нижней кромке реза), шероховатость поверхности реза, ширина зоны термического влияния, прямизна стенок реза. На практике основным показателем качества реза является шероховатость поверхности реза. Несмотря на большое количество теоретических и экспериментальных исследований, в настоящее время отсутствует полная и взаимосвязанная физическая картина образования реза [10, 11], а условия получения качественного реза не сформулированы. Это связано, прежде всего, с многообразием и сложным взаимодействием протекающих при лазерной резке физических процессов. Главными из них являются: распространение излучения в канале реза, поглощение излучения, выделение энергии в результате экзотермической реакции и образование окислов металла при использовании кислорода в качестве вспомогательного газа, распространение тепла в материале и образование расплава, течение газа в канале реза, движение пленки расплава под действием потока газа. Шероховатость поверхности реза, которая является одним из основных критериев качества, зависит от динамики распространения фронта плавления, от особенностей течения пленки расплава [12]. . Обзор механизмов образования неустойчивостей течения расплава, которые могут приводить к ухудшению качества лазерного реза, дан, например, в [13]. В работах [17, 57-59, 67] изложены физические представления о механизмах, ведущих к образованию бороздчатой поверхности при кислородной газолазерной резке стали, которые основаны на теории циклического окисления железа в кислороде. H2 Анализ состояний исследования:
Первые экспериментышо;разрезанию?металлов- излучениемсмощных лазеров , были проведены в 60 годах XX в- ВП967 г..[14] был произведенашазернаяфезка-низкоуглеродистойсталиіпрштолщине листа 1ммх кислородом кислород в качестве:вспомогательного газа. Є ростом мощности лазеров растет толщина разрезаемых материалов. В»настоящее времяшромышленные: лазерные комплексы: позволяют производить качественную резку стальных, листов толщиной до 25 мм [15]. Лазерная-резка характеризуетсяшысокой скоростью обработки, при. этом: интерес представляет получение качественного реза.. Показателями каче-ства реза; являются величина- грата : (застывших капель расплава на нижней; кромке реза),, шероховатость поверхности реза, ширина! зоны-, термического .. влияния, прямизна стенок реза. Основными; параметрами; задаваемыми; при: лазерно-кислородной резки; являются мощность излучения; скорость "резки; толщина- разрезаемого материала: Мощность, лазерного:: излучения является энергетическим; параметрам резки: Параметр: скорости резки учитывает тепло-вложение в материал[4]1 При практическом использовании лазерной резки необходимо знать, как зависят оптимальные параметры; резки, прежде всего —. мощность, лазерного излучения и скорость резки, от толщины: разрезаемого листа. Это важно знатькак при выборе лазера в соответствии-с производственными -потребностями, и; оценкой его производительности; так и; при: практиче-ской работе. Поэтому выбор параметров «резки: актуалет на сегодняшний момент. Знание законов; которые позволяли І бы определить оптимальные условия резки, позволяют повысить эффективность практического использования: лазерной резки. Однако при каком;критерии осуществлять,выбор непонятен. Условия получениякачественного резане сформулированы.
Сравнение СФР и УР на характеристику лазерного реза
Как видно из таблицы, лазер с СФР имеет несколько меньшую мощность излучения с единицы длины резонатора по сравнению с неустойчивым телескопическим резонатором, но за счет большей апертуры почти втрое превосходит по удельной мощности лазер с устойчивым одномодовым (ТЕМоо) резонатором. По качеству пучка лазера с СФР в 2-2,5 раза превосходит лазер с неустойчивым резонатором и приближается к устойчивому одномодовому (TErvloo) резонатору.
Таким образом, СФР резонатор технологичен, имеет пучок хорошего качества и высокую удельную мощность, что позволяет перспективно применять его для создания технологических лазерных систем. Однако, хотя и малое, но существующее отличие структуры излучения в дальней зоне от излучения устойчивого резонатора требовала специального сравнения их качества реза. Такие исследования были проведены в работе [29].
В промышленных системах ведущих мировых производителей для резки используются (Юг-лазеры с УР, высокое качество реза обеспечивается при re-нерации на ТЕМ0о или TEM0i модах. Пучок ТЕМ0о моды может быть сфокусирован в пятно меньших размеров, что позволяет получить более узкий рез и большую скорость резки. Для низкоуглеродистой стали опубликовано достаточно большое количество экспериментальных данных, что позволяет провести сравнение более полно и в близких по техническим параметрам условиях.
В отличие от мод устойчивого резонатора, пучок излучения лазера с СФР имеет в дальней зоне побочные максимумы, которые в принципе могут влиять на качество реза.
Например, пучок с характерной дифракционной структурой в дальней зоне генерируют также лазеры с неустойчивым резонатором из полностью отражающих зеркал, которые не позволяют получить хорошего качества реза и для резки не применяются.
Очевидно, влияние побочных максимумов на характеристики реза зависит от их интенсивности, и если интенсивность невелика, это влияние также не должно быть значительным. Проверка степени влияния особенностей структуры пучка, в дальней зоне, на характеристики реза была проведена в работе [29]. 2.3 Сравнение СФР и УР на характеристику лазерного реза
В экспериментах определялись скорость резки, шероховатость поверхности реза, ширина реза [29]. Разрезались листы низкоуглеродистой стали толщиной 1,5-25 мм, нержавеющей стали 1—25 мм. При резке низкоуглеродистой стали в струе кислорода во всем диапазоне толщин при оптимальных параметрах резки грат на нижней кромке реза отсутствовал, канал реза имел близкие к прямым стенки. Резка нержавеющей стали производилась с азотом в качестве технологического газа. Давление газа в камере лазерного резака не превышало 12 кг/см2, на нижней кромке реза имеется грат величиной 2 мм. 2.3.1 Низкоуглеродистая сталь.
Разрезались листы толщиной от 1,5 до 25 мм. В качестве вспомогательного газа использовался кислород. В таблице 2.2 приведены значения толщины / листов, W мощности излучения, / фокусного расстояния линзы и давления Р кислорода в режущей головке. Таблица 2. /,мм 1,5 3 5 10 16 20 25 Параметры реза выбирались так, чтобы величина шероховатости R2 поверхности реза была минимальной. Методика оценки шероховатости показана ниже.
Эксперименты проводились следующим образом. Для выбранной толщины разрезаемого листа t фиксировалась мощность излучения W, фокусное расстояние линзы /, избыточное давление кислорода Р. Затем определялось положение А/ фокуса луча относительно поверхности листа и скорость резки, при которых величина Rz минимальна. Определялась ширина реза Ь, соответствующая минимуму Rz. Ширина реза измерялась, как и в [49], при помощи щупа. При всех толщинах из табл. 2.2 получен рез без грата, с близкими к прямым кромками.
В качестве примера на рис. 2.11 представлена зависимость шероховатости поверхности реза от положения А/фокуса луча по отношению к поверхности листа, положительные значения А/ соответствуют положению перетяжки над поверхностью. Оптимальная величина А/ возрастает с мощностью излучения, при этом возрастает и ширина реза.
Шероховатость поверхности реза в зависимости от положения А/ перетяжки пучка относительно верхней поверхности листа, /= 5 мм.
На рис. 2.12 показаны фотографии поверхности реза и поперечного сечения канала реза при толщине листа 16 мм. В таблице 2.3 представлены результаты измерения минимальной шероховатости поверхности реза и соответствующей ей ширины реза для разных толщин. Здесь же приведены взятые из [49] характерные результаты для СОг-лазера с устойчивым резонатором. В таблице 2.3 в скобках для СФР указаны мощность излучения и скорость резки.
Ширина реза в зависимости от положения фокуса и фокусного расстояния
Характеристики лазерного реза: шероховатость поверхности Rz , параллельность стенок щели реза, наличие грата существенным образом зависят от условий проведения реза, таких как W - мощность излучения, Vc — скорость резки, Ъ - ширина реза, / - толщина стального листа, АР — перепад давления технологического газа на толщине листа, свойства разрезаемого материала (р, р. — плотность и динамическая вязкость технологического газа,
Cm,Xm,pm,TmiLm - теплоемкость, теплопроводность, плотность, температура и теплота плавления металла соответственно). R2=F(W,Vc,t,b,&P,pg,vg,Cm,Xm,Pm,Tm,Lm).
При лазерной резке с кислородом в качестве технологического газа для любого разрезаемого материала толщиной / можно выделить три области в «четырехмерном пространстве параметров»: W - мощность излучения, Vc — скорость резки, Ъ - ширина реза, и АР - перепад давления технологического газа. В первой области лазерный луч не прорезает материал. Обычно это связано с недостатком мощности, избытком скорости или плохой организацией газового потока. Во второй области лазер режет, однако в зависимости от выбора параметров, качество поверхности может быть различно. В третьей области велика вероятность возникновения неконтролируемого. горения железа в кислороде. Горение может быть непрерывным или возникать периодически, однако, качество поверхности не удовлетворительное.
Для решения главной задачи данной работы — проведения оптимизации качества реза, на первом этапе необходимо было провести предварительное исследование и очертить границы второй зоны, внутри которой и проводились опыты. Цель этой части работы состояла в изучении характера зависимости основных параметров реза от условий эксперимента. Одной из задач являлось разработка метода управление процессом изменения ширины реза, величина которого не должна была формироваться неконтролируемым образом, как это реализуется в большинстве ранее проведенных исследования, а задаваться при постановки опытов, аналогично мощность излучения, скорость резки и перепада давления технологического газа.
Необходимо отметить, что оптимизация по четырем параметрам требует сбора большого объема экспериментальных данных, а также предварительное определение степени влияния каждого параметра на качество реза.
Эксперименты по резке проводились на созданном в ИТПМ СО РАН лазерном технологическом комплексе (гл. 2) , включающем непрерывный СОг-лазер мощностью до 8кВт и параметром качества пучкаіГ = 0,7 , двух координатный технологический стол портального типа и компьютерную систему управления лазером и столом. В лазере используется СФР.
Резка производилась излучением с круговой поляризацией по традиционной схеме - излучение фокусировалось одиночной ZnSe-линзой, соосно с лучом в зону реза подавалась струя технологического газа. Расстояние между режущей головкой и разрезаемым листом стабилизировалось системой обратной связи на основе емкостного датчика. В качестве сопутствующего технологического газа использовался кислород чистотой 99,999 %. В работе [11] показано, что чистота кислорода значительным образом влияет на скорость резки и качество поверхности реза. Чем выше чистота кислорода, тем выше скорость резки. Чистота кислорода контролировалась с помощью прибора «Гиацинт». Разрезались листы низкоуглеродистой стали СтЗпс толщиной 5, 10, 16, 20, 25 мм. Процесс резки становится более устойчивым с повышением требований к состоянию поверхности листа и составу стали [11, 55-56]. В данной работе также предъявлялись повышенные требования к состоянию поверхности листа и составу стали. Выбирались листы на поверхности, которых отсутствовали дефекты, такие как ржавчина, рытвины, приводящие к ухудшению качества реза.
Лазерно-кислородная резка характеризуется пониженным давлением технологического газа 0,3—2 кг/см2, при этом важно сформировать хорошее течение газового потока в узком канале реза [60, 69]. Надо отметить очень ограниченное количество работ описывающих распространение дозвуковой струи в узком канале, что связано со сложностью численного моделирования и визуализации течения с малыми градиентами в узком канале. Оптимизация по выбору сопел также осуществлялось в данной работе. Для расширения диапазона резки толстых стальных листов толщиной 20, 25 мм. применялось двойное коаксиальное сопло, которое позволяло улучшить качество в нижней части реза. Дополнительная струя газа устраняет вихрь, засасывающий расплав и шлак, образующийся на выходе из канала реза [61].
Методика экспериментов. Для выбранной толщины разрезаемого листа / фиксировалась мощность излучения W, фокусное расстояние линзы /, избыточное давление кислорода Р. Затем определялось положение Af фокуса луча относительно поверхности листа и скорость Vc резки, при которых величина Rz минимальна. Определялась ширина реза Ь, соответствующая минимуму R, (таблица 3.1). Далее производилось изменение значения мощности излучения и итерации повторялись.
Энергетические закономерности лазерно-кислородной резки металлов
Для проведения оптимизации условий резки, т. е. нахождения минимума функции Rz, в данных опытах в качестве основных исходных параметров, которые последовательно варьировались при лазерной резке, являлись толщина разрезаемого листа, мощность лазерного излучения, скорость резки, избыточное давление вспомогательного газа (кислорода) на входе в канал реза и ширина реза. Ширина реза изменялась фокусным расстоянием и положением фокуса над поверхностью листа.
На рис. 3.20 показана зависимость шероховатости поверхности реза от толщины листа, при оптимальных условиях резки: скорости резки, ширины реза, мощности излучения.
В главе 3 приведены результаты комплексного предварительного исследования зависимости параметров реза от условий эксперимента. Получены следующие результаты, имеющие важное значение для решения основной задачи данной работы.
1. Видно, что шероховатость поверхности имеет минимум, в зависимости от положения фокуса, т.е. в зависимости от ширины реза. Причем положение этого минимума зависит от мощности и скорости резки. Это открывает перспективу оптимизации режима резки по критерию минимума шероховатости поверхности.
2. Эксперименты показали, предельные параметры резки очень сильно зависят от толщины разрезаемого материала. Например, с ростом толщины снижается максимально допустимая скорость резка, но практически не меняется минимальная скорость, обусловленная началом горения металла. В результате диапазон рабочих скоростей резко снижается.
3. Параметры резки слабо зависят от давления кислорода. Это позволяет при проведении оптимизации использовать постоянное небольшое давление кислорода, что уменьшает набор оптимизируемых параметров.
4. В результате проведенных предварительных опытов определены границы области в пространстве: мощность, скорость и ширина реза, внутри которой реализуется рез хорошего качества. Глава 4. Законы подобия и энергетические закономерности ла-зерно-кислородной резки толстых стальных листов
Обработка больших объемов данных существенно упрощается, если удается представить их в виде зависимостей между безразмерными параметрами, как это делается при анализе сложных физических систем методом подобия [65]. Это позволяет уменьшить количество независимых переменных и найти критериальные параметры данной задачи.
При определении таких параметров для лазерно-кислородной резки металлов будем исходить из следующих представлений: энергия выделяется на фронте реза более или менее равномерно по глубине канала реза, толщина разрезаемого листа намного превышает ширину канала реза, вынос материала из канала происходит под действием струи газа. Условие, при котором осуществляется поиск критериальных параметров, является наличие минимума шероховатости реза при отсутствии грата в нижней части.
Для нахождения минимума данной функции Rz, в главе 3 в качестве основных исходных параметров, которые последовательно варьировались при лазерной резке, являлись толщина разрезаемого листа t, мощность лазерного излучения W, скорость резки Vc, избыточное давление вспомогательного газа (кислорода) Р на входе в канал реза и Ъ ширина реза. Ширина реза изменялась фокусным расстоянием и положением фокуса над поверхностью листа.
При этом три параметра Ре, Be, Ве2 связаны между собой следующим со отношением Be = Z?e2Pe(l + Sf), где Sf = т т число Стефана, определяе мое свойствами разрезаемого материала и в нашей работе являвшееся константой. Следовательно, в качестве независимых переменных задачи можно использовать следующие параметры: 2?е,Реи bit.
Таким образом, выражение (4. 1) можно представить в виде - = Ф(?е,Ве,Ь/1,А(). (4.2) где символом At обозначен набор безразмерных параметров, характеризующих систему фокусировки излучения, качество лазерного пучка, свойства и химический состав разрезаемого материала. Эти параметры в нашем исследовании сохранялись постоянными. Необходимо отметить, что саму возможность существования функции (4.2), т.е. описание всего многообразия экспериментальных данных шероховатости / поверхности резки через указанные безразмерные параметры, требовало экспериментальной проверки. Второй фундаментальной задачей, имеющей практически важное значение, являлось экспериментальное доказательство наличия минимума этой функции, которое соответствовало бы оптимальному режиму резки.
Названным безразмерным параметрам соответствуют размерные комбинации Wit, bVc, которые могут быть определены экспериментально. Эти величины (в размерном или безразмерном виде) используются при решении тепловых и газодинамических задач, том числе и задач, связанных с лазерной обработкой материалов [23].
В главе 3. определенны диапазоны мощности излучения, скорости резки, давление вспомогательного газа, ширины реза для толщин 5—25 мм характеризующее получения реза с хорошим качеством.
Выбранные толщины листов, а также величины /,Ри диапазон мощности, в котором проводились измерения, представлены в таблице 4.1. Таблица 4.
Таким образом, для различных толщин - t был получен большой объем информации, позволяющий провести оптимизацию по параметрам W, /, Р, Vc, Ъ и определить условия резки материала данной толщины с минимальным Rz.
Оптимизации качества реза по двум параметрам Vc и Ъ представлена на рис. 4.1. Приведены обобщенные данные оптимальной скорости при различных мощностях и толщинах 5, 10, 16, 20 и 25 мм. Каждая точка на этих рисунках соответствует минимуму Rz при последовательной оптимизации по скорости - Vc и ширины резки - Ъ, для заданной мощности излучения — W. Фактически, брался набор зависимостей, типа рис. 3.11 (гл. 3), при разных скоростях и находились значения Vc я Ь, для которого Rz было минимально.
