Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние исследований лазерной резки .13
1.1 Основы лазерной резки .13
1.2 Промышленные лазеры .20
1.3 Влияние газовой струи на процесс лазерной резки 22
1.4 Влияние характеристик излучения на лазерную резку
1.5 Анализ состояния исследований баланса мощности характеризующий лазерную резку.. 35
1.6 Метод подобия и размерности как способ обобщения результатов исследований лазерной резки 40
Глава 2. Экспериментальное оборудование и используемые методики 43
2.1 Технологические лазеры .43
2.2 Шероховатость поверхности 50
2.3 Конфокальный микроскоп Olympus 52
2.4 Метод измерение коэффициента поглощения лазерного излучения 53
2.5 Теплофизические параметры разрезаемых сталей .55
Глава 3. Исследование высококачественной лазерно–кислородной резки волоконным и СО2-лазером 57
3.1 Поиск законов подобия и безразмерных параметров при лазерно-кислородной резке .57
3.2 Исследование поглощения излучения разных типов лазеров при лазерно–кислородной резке низкоуглеродистой стали .68
Выводы к главе 3 75
Глава 4. Исследование высококачественной лазерной резки с химически инертным газом волоконным и СО2-лазером .76
4.1 Исследование и сравнение основных характеристик лазерной резки нержавеющей стали волоконным и СО2-лазером 76
4.2 Баланс мощности лазерной резки нержавеющей стали волоконным и СО2-лазером 86
4.3 Сравнение энергетических параметров при высококачественной резке волоконным и СО2-лазером низкоуглеродистой и высоколегированной сталей 91
Выводы к главе 4 .97
Заключение .98
Литература
- Влияние газовой струи на процесс лазерной резки
- Конфокальный микроскоп Olympus
- Исследование поглощения излучения разных типов лазеров при лазерно–кислородной резке низкоуглеродистой стали
- Баланс мощности лазерной резки нержавеющей стали волоконным и СО2-лазером
Влияние газовой струи на процесс лазерной резки
Одним из важнейших параметров характеризующую лазерную резку является качество лазерного реза. Под качеством реза понимают [4]: – шероховатость поверхности реза; – наличие грата; – ширина реза; – размер зоны термического влияния; – наклон боковых стенок реза.
Основными показателями качества лазерной резки принято считать шероховатость поверхности и наличие грата. Это связанно в первую очередь с тем, что при минимальном значении этих параметров, другие показатели качества реза имеют допустимые значения. Поэтому, получение лазерного реза обладающего минимальной шероховатостью и отсутствием грата в нижней части образца представляет собой практический интерес.
Несмотря на то, что изучению образования шероховатости поверхности посвящено большое количество экспериментальных и теоретических исследований, до сих пор существуют нерешенные вопросы, связанные с механизмом формирования бороздок [6, 9]. Рассмотрим основные модели, описывающие образования шероховатости [10]:
В случае лазерно–кислородной резки, наиболее применяемой моделью, является образование бороздок за счет нестационарного характера продвижения фронта реза в результате периодически образующихся волн горения [4, 6, 11]. Механизм зарождения бороздок можно представить следующим образом (см. рис. 1.4).
Механизм образования бороздок в процессе лазерной резки (А – луч надвигается на фронт реза; B – возникает горение металла в зоне пучка; С – фронт горения опережает движение луча; D – прекращение горения, луч догоняет фронт и все повторяется). Сфокусированное лазерное излучение нагревает фронт реза до температуры плавления. Из–за того, что струя вспомогательного газа (кислород) вступает в экзотермическую реакцию с металлом, на фронте реза происходит выделение дополнительной энергии, что проводит к тому, что фронт реза отрывается от переднего фронта лазерного пучка. В связи с тем, что энергии химической реакции недостаточно для поддержания горения, волна горения не может далеко «убегать» от зоны лазерного пучка. Это приводит к тому, что волна горения останавливается. Когда лазерный пучок догоняет фронт реза, данный цикл повторяется. Важно отметить, что данный способ образования бороздок хорошо подходит только для тонких листов (1 … 2 мм). При резке толстых листов, данный механизм может описывать образование рисок только в верхней части образца, так как впоследствии ведущую роль играет течение расплавленной пленки металла.
2. Другое возможное объяснение образованию бороздок допустимо как для лазерно-кислородной резки, так и для резки с химически нейтральным газом. Оно основано на нестационарном характере удаления расплавленного материала из зоны реза под воздействием струи газа [12]. Капля расплавленного материала, достигнув критического размера, начинает скатываться под действием газа по фронту реза. После того как капля достигнет нижнего края листа, на поверхности реза образуется неровность.
3. Еще одна модель связана с изменением величины температуры и толщины пленки расплава. В работе [13] показано, что флуктуации температуры и толщины пленки расплава на фронте реза могут вызываться колебаниями газового потока и мощностью лазерного излучения. Для лазерно–кислородной резки в [14] предложен принципиально другой механизм возникновения флуктуаций в пленке расплава, связанный с химической реакцией. Образованная на поверхности фронта реза пленка окисла, по мере возрастания, препятствует взаимодействию кислорода с металлом, что приводит к ослаблению реакции окисления. В свою очередь уменьшение энергии приводит к тому, что температура расплавленной пленки падает. При удалении оксидного слоя мощность химической реакции возрастает, а вместе с ней и температура пленки. Описанные периодические колебания возможно являются механизмом образования бороздок на боковой поверхности реза.
В итоге, на сегодняшний день, установлено, что на качество лазерной резки влияют большое количество различных гидро–, термо– и газодинамических параметров. Весь этот набор параметров можно разделить на две группы. Первая группа, определяет характеристики самой лазерной резки. Эти параметры легко варьируются в процессе лазерной резке: мощность излучения W, скорость резки , давление технологического газа , положение сфокусированного пятна относительно разрезаемого листа и толщина разрезаемого материала . Вторая группа, определяет характеристики лазерного комплекса. Сюда входят такие параметры, как длина волны и состояние поляризации лазерного излучения, качество пучка, оптическая система. Варьируя перечисленные выше параметры в пределах допустимых значений, можно добиться минимально возможного значения шероховатости поверхности лазерного реза
Конфокальный микроскоп Olympus
В данной работе измерение шероховатости и ширины лазерного реза производилось с помощью сканирующего конфокального микроскопа Olympus LEXT OLS3000. Дальнейшее описание установки взято из руководства пользователя микроскопа Olympus LEXT OLS3000. Система представляет собой сканирующий конфокальный микроскоп, обладающий высокими разрешением, высокой контрастностью и очень большим увеличением с использованием конфокальной оптики. Системой формируются как двухмерные, так и трехмерные изображения. Внешний вид микроскопа Olympus LEXT OLS3000 представлен на рис. 2.5.
Принцип работы микроскопа заключается в следующем: лазерный луч, проходит через объектив, на исследуемый участок и сканирует его. Отраженный свет от исследуемой поверхности анализируется с помощью датчика встроенный в микроскоп и затем обрабатывается на ПК. Конфокальный режим позволяет, отсекая лучи приходящие не из точки фокуса. В результате, в тех областях, где свет был отсечен, картинка сильно затемняется, что позволяет визуально определить высоту перепада неровности. В режиме работы 2D, отраженный свет от не сфокусированной поверхности частично накладывается на сигнал, пришедший из сфокусированной плоскости, что приводит к размытию изображения. Используя метод послойного сканирования, появляется возможность создания трехмерной модели исследуемой поверхности, а так же произвести измерения шероховатости данной поверхности. Характеристики микроскопа Olympus LEXT OLS3000:
Для газолазерной резки важным является количество поглощенной энергии излучения материалом. Теоретические исследования поглощения излучения в канале реза затруднены целым рядом причин (многократные отражения в канале реза, поглощения на микронеровностях и т.д.). Как итог, наиболее точное значение коэффициента поглощения при лазерной резке металлом можно найти с помощью экспериментального исследования.
Схема экспериментальной установки для измерения поглощения лазерного излучения металлом при резке представлена на рис. 2.6. Впервые этот метод использовался в работе [51]. Используя данный метод можно экспериментально измерить мощность прошедшего лазерного излучения через канал реза. Зная падающую и прошедшую мощность, легко рассчитывается поглощенная мощность по формуле WnorjI = W- И прош, а коэффициент поглощения находится как А = Wnor}I/W. Отметим, что под коэффициентом поглощения понимается интегральный коэффициент, т.е. в данном случае учитывается также поглощенная энергия при возможных многократных отражениях излучения в канале реза. Рисунок 2.6. Схема эксперимента [8].
Суть данного метода состоит в следующем. В процессе лазерной резки под разрезаемым листом устанавливается датчик мощности OPHIR 5000W–CAL–SH так, чтобы все прошедшее излучение попало на поглощающую поверхность. Сигнал с приемника затем поступает и обрабатывался на ПК.
При этом, тщательно контролировалось отклонение выходного луча из канала реза после его взаимодействия с материалом. Важно, чтобы все прошедшее лазерное излучение попало на поглощающую поверхность приемника. Для этого производились отечатки прошедшего излучения на оргстекле и винипласте для СО2 и волоконного лазера соответственно. На рис. 2.7 представлены отпечатки при разной мощности излучения при резке низкоуглеродистой стали толщиной 5 мм волоконным лазером.
Стоит отметить, что при значении мощности лазера 500 Вт, отпечатка на винипласте не наблюдалось. Это связано с малой мощностью прошедшего излучения. В данном случае, для контроля попадания всего лазерного пучка на поглощающую поверхность приемника, использовалась термобумага. С увеличением падающей мощности происходит четкое прослеживание отпечатока лазерного излучения (см. рис. 2.7).
Важно отметить, что при использовании данного метода измерения продукты разрушения металла (жидкий расплав) сдувались мощной струей воздуха так чтобы полностью исключалось их попадание на поглощающую поверхность приемника.
В данной работе исследуется газолазерная резка низкоуглеродистой стали марки Ст3 и нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. Для теоретических оценок значения теплофизических характеристик брались из работы [76]. Стоит отметить, что вместо стали марки Ст3, для расчетов использовались теплофизические параметры близкой по химическому составу стали Ст20.
Известно, что с изменением температуры материала большинство теплофизических параметров достаточно сильно изменяют свою величину. В результате значения удельной теплоемкости и теплопроводность брались для среднего значения температуры 700 0С, усредненные по интервалу ±100 0С (см. табл. 2.2).
Исследование поглощения излучения разных типов лазеров при лазерно–кислородной резке низкоуглеродистой стали
В настоящее время существует большое количество экспериментальных и теоретических работ по изучению лазерной резки сталей с использованием химически инертного газа [46–49, 59, 60, 80–82]. Однако, если исследования посвящённые резке СО2-лазером за несколько десятилетий позволили собрать огромную научную базу данных, то с появлением мощных твердотельных лазеров с длиной волны излучения приблизительно равной 1 мкм (волоконные и дисковые лазеры) исследования в данной области возобновились с новой силой. Как итог, существует огромный интерес в исследовании влияния длины волны лазерного излучения, на механизмы, протекающие в процессе резки.
Существующие к моменту написания данной работы теоретические и экспериментальные исследования надежно установили, что при одинаковой мощности излучения дисковые либо волоконные лазеры обеспечивают более высокую скорость резки по сравнению с СО2-лазерами (приблизительно в 3 раза для толщин 1 … 2 мм) [46, 49]. Однако, с увеличением толщины разрезаемого материала преимущества в скорости становится менее заметно, а при толщине 10 мм оно практически исчезает. При этом влияние длины волны излучения на качество боковой поверхности реза, как правило, не исследовалось.
Кроме того, проведенные на сегодняшний день работы, посвященные исследованию энергетики лазерной резки, до конца не позволяют объяснить наблюдаемые различия при использовании разных типов лазеров. В результате, проведение экспериментального сравнения резки с использованием различных длин волн лазерного излучения остается актуальным и на сегодняшний день. Данная глава посвящена исследованию газолазерной резки нержавеющей стали излучением с длиной волны 1.07 мкм и 10.6 мкм (иттербиевый волоконный лазер и газоразрядный СО2-лазер соответственно) с использованием азота в качестве вспомогательного газа. Сравнительное исследование резки различными типами лазеров проводились при одинаковой мощности излучения и давлении вспомогательного газа. В качестве критерия, по которому осуществляется поиск общих критериальных зависимостей и законов подобия, является минимальная шероховатость поверхности реза при отсутствии грата. Результаты, представленные в настоящей главе, опубликованы в работах с участием автора (см. Приложение 1).
Начальным этапом работы было проведение оптимизации лазерной резки по критерию минимума шероховатости. Вырезались образцы из листов нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. Давление вспомогательного газа (азот) в резаке варьировалось в пределах 1.3 … 1.6 МПа в зависимости от толщины металла. В работе разрезались листы из нержавеющей стали толщиной 3 и 5 мм. Для исследуемых толщин измерялась шероховатость поверхности реза в зависимости от скорости резки. Важно отметить, что для каждого значения скорости положение фокусного пятна оптимизировалось по заданному критерию для обоих типов лазеров. В качестве меры шероховатости (характерной высоты неоднородности) принята величина , которая измерялась с помощью конфокального микроскопа описание, которого приведено в Главе 2.
На рис. 4.1 приведены фотографии, показывающие типичный вид сечения канала реза (рис. 4.1.а и рис. 4.1.в) и боковую поверхность реза (рис. 4.1.б и рис. 4.1.г) для нержавеющей стали толщиной = 3 мм. Из рисунка видно, что образцы вырезанные излучением с разной длиной волны (рис. 4.1.а, 4.1.б – резка СО2-лазером, рис. 4.1.в, 4.1.г – резка волоконным лазером), обладают различной бороздчатой структурой, а значение шероховатости вдоль всей толщины металла являются не монотонным. В связи с этим, оптимизация лазерной резки по критерию минимальной шероховатости поверхности реза не может быть проведена по измерениям в одной точке образца. в г
Рисунок 4.1. Сечения канала реза и поверхности реза при использовании СО2-лазера (а) и волоконного лазера (б) для t = 3 мм и = 2 кВт [80].
Для проведения более детальной и точной оптимизации лазерной резки измерение шероховатости производились следующим образом: разрезаемый лист делился на определенное количество сечений, интервал между которыми варьировался от 100 до 150 мкм. Например, для толщины t = 3 мм значение шероховатости поверхности реза измерялось в 26 сечениях листа вдоль базовой длины, которая составляла 3 мм. На рис. 4.2 представлены результаты измерения шероховатости поверхности реза в зависимости от номера сечения для t = 3 мм. Точность измерения определяется точностью используемого микроскопа Olympus LEXT OLS3000, которое определяется соотношением 0.2 + L /100 мкм, где L – измеряемая длина (мкм). Видно, что точность измерения параметра шероховатость поверхности не превышает 10 %.
Баланс мощности лазерной резки нержавеющей стали волоконным и СО2-лазером
На этом же рисунке приведены результаты исследований резки низкоуглеродистой стали лазерами с длинами волн 1.07 и 10.6 мкм. С целью сравнения энергетических закономерностей качественной резки с кислородом и инертным газом, учет вклада экзотермической реакции окисления железа кислородом для оптимальных условий проведен, в соответствии с (4.11), увеличением результатов измерения поглощенной энергии, представленных ранее на рис. 3.13, в два раза. Видно, что применение безразмерных параметров позволило обобщить все многообразие экспериментальных данных, не зависимо от толщины металла, мощности и типа лазера, в единую зависимость, близкую к QnorjlonT Реопт. Данные из рис. 4.11 позволяют оценить средний вклад энергии в единицу объема удаляемого металла из зоны реза. Действительно, из близкой к линейной зависимости QnorjlonT Реопт следует постоянное значение коэффициента наклона Используя данные из табл. 2.2 (см. Главу 2), получим близкие значения величины Ст-рт-Тт (7.6 и 6.4 Дж/мм3 для низкоуглеродистой и нержавеющей стали соответственно). Таким образом, в пределах экспериментального разброса получено одинаковое среднее значение поглощенной энергии приходящейся в единицу объема удаляемого из канала реза материала ЯПОГЛопт « 26 Дж/мм3. Причем, при резке с инертным газом, вся эта энергия должна быть обеспечена излучением лазера, а при использовании кислорода этот вклад на 50 % обусловлен излучением (13 Дж/мм3) и на 50% экзотермической реакцией окисления железа.
Отметим, что полученные результаты анализа обобщенных данных баланса мощности (рис. 4.11) в отношении резки с кислородом (13 Дж/мм3) соответствуют значениям полученные раннее в Главе 3 (10.7 Дж/мм3 при резке СО2-лазером и 12.7 Дж/мм3 при резке волоконным лазером). Рисунок 4.11. Зависимость оптимального числа Пекле от оптимального значения безразмерной мощности при резке низкоуглеродистой стали СО2 (точки 1) и волоконным лазером (точки 2), а так же нержавеющей стали волоконным лазером (точки 3). Линия 4 построена по формуле (4.15), линия 5 по формуле (4.14), линия 6 по формуле (4.16). Представленные на рис. 4.11 данные можно сравнить с оценкой баланса мощности, полученного с использованием результатов численного моделирования потерь тепла из зоны реза за счет теплопроводности. Согласно модели, предложенной в работе [54], для оценки тепловых потерь можно использовать выражение:
В выражениях (4.14 и 4.15), в отличие от [53, 54], число Пекле рассчитывалось с использованием диаметра канала. На рис. 4.11 сплошными линиями показаны результаты расчета баланса мощности (4.14) и (4.15).
Видно, что ввиду слабой нелинейности зависимости безразмерной мощности V c ond от числа Пекле, применение выражения (4.12) в балансе мощности (4.11) показывает качественное соответствие наблюдаемой в эксперименте закономерности @Поглопт Ре от. Однако, количественно рассчитанный баланс мощности отличается от экспериментального. Нами была проведена оптимизация выражения (4.12) введением дополнительного коэффициента а, значение которого подбиралось из условия максимального совпадения расчетного баланса мощности (4.16) с экспериментальными данными:
Близость расчётного и экспериментального баланса достигается при значении а = 1.38. Таким образом, баланс мощности лазерной резки, полученный экспериментальным путем, отличается на небольшой поправочный коэффициент от теоретической модели, основанной лишь на теплофизических принципах процесса.