Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ процессов сопровождающих кислородную газолазерную резку стали и проблемы их физического и математического моделирования .
1.1. Газолазерная резка металлов: основные методы и их характеристики. 14
1.2. Кислородная газолазерная резка: анализ текущего состояния исследований и перспективы дальнейшего развития . 20
1.3. Физико-химическая модель взаимодействия низколегированной стали с кислородом в условиях газолазерной резки . 26
Выводы к главе 1 44
Глава 2. Развитие методов резки толстых листов стали излучением С02 лазера с использованием кислорода .
2.1 Описание экспериментальной установки. 45
2.2 Исследование влияния состава и давления рабочей смеси, состоящей из кислорода и аргона, на характеристики газолазерной резки малоуглеродистой стали . 49
2.3 Параметризация режимов гибридной кислородно-лазерной резки толстых листов стали. 64
Выводы к главе 2 78
Глава 3. Моделирование образования шероховатости поверхности при кислородной газолазерной резке низколегированной стали .
3.1 Статистический анализ закономерностей образования шероховатости и выноса материала при кислородной газолазерной резке. 79
3.2 Физико-математическая постановка задачи образования шероховатости за счет циклов несамостоятельного горения, и метод ее численного решения . 89
3.3 Двумерная постановка задачи и результаты расчетов геометрии канала лазерного реза и линейных размеров шероховатости его стенок.
3.4 Трехмерная постановка задачи и результаты расчетов динамики формирования профиля поверхности реза с учётом течения жидкой пленки металла. 104
Выводы к главе 3 116
Заключение и выводы 117
Список литературы 118
- Кислородная газолазерная резка: анализ текущего состояния исследований и перспективы дальнейшего развития
- Физико-химическая модель взаимодействия низколегированной стали с кислородом в условиях газолазерной резки
- Исследование влияния состава и давления рабочей смеси, состоящей из кислорода и аргона, на характеристики газолазерной резки малоуглеродистой стали
- Физико-математическая постановка задачи образования шероховатости за счет циклов несамостоятельного горения, и метод ее численного решения
Введение к работе
Наиболее распространенной лазерной технологией в машиностроительных отраслях промышленности в настоящее время является лазерная резка металлических и неметаллических материалов. Обширная номенклатура разрезаемых материалов, высокая скорость и точность обработки позволяют получать детали практически любой геометрической сложности с минимальными затратами. Наибольший объем лазерного раскроя среди металлов и сплавов приходится на низколегированные стали различного назначения, применяющиеся в строительстве, машино- и приборостроении. Использование кислорода, в качестве вспомогательного газа, позволяет существенно повысить эффективность резки этого типа материала, но также вносит в процесс дополнительные особенности и ограничения не характерные для резки с использованием нейтрального газа. Разнообразие и сложность физических процессов, имеющих место при лазерной резке с кислородом, затрудняют определение причин образования дефектов и различных ограничений для последующего их устранения. Теоретическому и экспериментальному исследованию этого типа резки посвящено большое количество оригинальных статей и монографий. Сложность физической картины явления, а также потребности производства постоянно поддерживают высокую активность исследований в этом направлении.
Совершенствование современных технологий лазерной резки, в том числе и с использованием активного рабочего газа кислорода, повышение их эффективности (скорости и качества) с переходом к раскрою все более толстых листовых материалов (толщиной до 30-50 мм и выше) приобретает в настоящее время чрезвычайную актуальность и требует углубленного изучения особенностей протекающих физико-химических процессов. При лазерной резке низколегированной стали с кислородом металл нагревается в пределах пятна излучения, вступает в экзотермическую реакцию, плавится и удаляется той же струей вспомогательного кислорода через образующийся разрез. На поверхности реза формируется шероховатость, отличающаяся от шероховатости, образующейся при резке с нейтральным газом. Качество лазерной резки, помимо шероховатости поверхности, характеризуется степенью перпендикулярности кромок реза, наличием или отсутствием грата и зависит от большого количества физических параметров, главными из которых являются характеристики излучения, скорость резки и параметры газовой струи.
В настоящее время технологические операции лазерного раскроя хорошо отработаны в случае тонких листов. Стабильная лазерная резка листов стали толщиной более 16 мм осложнена проблемой значительного понижения качества поверхности. При низкой скорости резки ухудшение качества поверхности реза связано с неустойчивостью процесса горения металла и склонности его к переходу в неуправляемый режим с большой шириной реза и недопустимой шероховатостью. На поверхности реза появляются рытвины, бесформенные наросты, процесс переходит в так называемый автогенный режим. Процесс становится более устойчивым с повышением требований к параметрам излучения, чистоте используемого кислорода, состоянию поверхности листа и составу стали. При высокой скорости резки наблюдается нарушение выноса расплава из узкого реза, которое проявляется в зашлаковывании, наплавлений с образованием грата на нижней кромке.
Исследования осложнены еще и тем, что регистрация процессов протекающих внутри реза в натурных условиях на А ЛТК (автоматизированном лазерном технологическом комплексе) невозможна из-за непрозрачности стенок реза, наличия высокой температуры и отраженного излучения. Поэтому в настоящее время отсутствуют достоверные сведения и представления о механизмах взаимодействия струи кислорода с жидким металлом, его уносом и образования шероховатости непосредственно внутрилазерного реза.
Теоретические исследования процессов лазерной резки стали с кислородом восходят к работам А.Г. Григорьянца, Н.В. Карлова, Н.А. Кириченко, Б.С. Лукьянчука, А.А. Веденова, Г.Г. Гладуша, Н. К. Макашова, М.Н. Либенсона., J. Powell, W.M. Steen, A. A. Kaplan, J. Duan,. К. Chen, Y.L. Yao, W. O Neill, J.T. Gabzdyl, S.L. Chen, D. Petring, I. Miamoto и многих других, в которых создана качественная теория образования шероховатости поверхности за счет протекания интенсивной химической реакции на фронте реза, теория взаимодействия излучения с металлами и их оксидами, проведен аналитический и численный анализ устойчивости движения пленки расплава и течения и диффузии вспомогательного кислорода, накоплен большой объем экспериментальных данных.
Подходы, развитые в большинстве работ, основаны на интегральных законах сохранения, которые справедливы для лазерной резки тонких листов. Математические модели различных физических процессов, как правило, слабо согласованы. Экзотермическая реакция зачастую описывается исходя из общих соображений, не учитывающих уникальных особенностей, присущих высокотемпературному окислению железа в кислороде. В этих условиях повышаются требования к качеству математического моделирования, и возрастает роль физического эксперимента.
Цели работы
1. Изучить особенности протекания химических реакций, определяющих эффективность и качество лазерной резки низколегированной стали с кислородом
2. Провести анализ эффективности использования при лазерной резке газовых смесей на основе кислорода с примесью нейтрального газа или воздуха.
3. Разработать методы аналитического расчета геометрии сверхзвуковых сопел для гибридной кислородно-лазерной резки толстолистовой стали на автоматизированном лазерном технологическом комплексе (АЛТК).
4. Разработать физико-математическую модель образования бороздчатой шероховатости за счет циклов лазерно-индуцированного горения железа в потоке кислорода. Научная новизна
Новыми научными результатами диссертационной работы являются:
1. Разработана гетерогенная модель физико-химических процессов реакционного взаимодействия железа с потоком кислорода на фронте реза при лазерной резке низколегированной стали.
2. Обнаружены газодинамические псевдоскачки, препятствующие процессу удаления расплава при гибридной кислородно-лазерной резке и предложены способы их устранения.
3. Разработана аналитическая методика расчета геометрии конфузорно-диффузорных сопел для резки толстолистовой стали гибридным кислородно-лазерным методом, позволяющая по заданной толщине листа и ширине реза определить диапазон рабочего давления кислорода, критический и выходной диаметры сопла.
4. Разработана модель образования шероховатости поверхности реза за счет циклов несамостоятельного горения при кислородной газолазерной резке низколегированной стали. В результате численного моделирования впервые рассчитана трехмерная форма шероховатости и исследована её динамика в зависимости от скорости резки, чистоты кислорода и толщины стекающей пленки образующегося оксида железа.
Практическая значимость
Предложена методика расчета геометрии газового сопла и рабочих параметров для резки стальных листов гибридным кислородно-лазерным способом. Методика позволяет по заданной толщине материала осуществить выбор диапазона рабочих давлений кислорода в форкамере, скорости резки и параметров геометрии сверхзвукового конфузорно-диффузорного сопла.
Получены образцы резки стальных листов с хорошим качеством (RZ 25MKM) толщиной от 16 до 30 мм, скоростью 0.25-0.45 м/мин с использованием ССЪ лазера мощностью 1.0 кВт и расходом кислорода, близким по величине к традиционной кислородной газолазерной резке низкоуглеродистой стали.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов и выводов обоснована сравнением с экспериментальными и расчетными результатами других авторов.
Методика расчета параметров гибридной резки подтверждена результатами натурных экспериментов.
Результаты численного моделирования образования, формы и динамики шероховатости согласуются с экспериментальными данными, а также данными скоростной киносъемки натурных экспериментов других авторов.
На защиту выносятся физические модели, математические постановки задач, а также результаты их аналитических и численных решений. К числу главных защищаемых результатов следует отнести:
-модель протекания экзотермической реакции при кислородной газолазерной резке, включающая: температурное начало интенсивной реакции, ее скорость и возможные режимы распространения;
-описание газодинамических эффектов, связанных с системой скачков на входе и выходе из канала реза, препятствующих резке гибридным методом, и пути их устранения;
-аналитическая методика расчета геометрии сверхзвукового сопла и диапазона рабочего давления кислорода для резки листов заданной толщины гибридным способом;
-постановка задачи о формировании шероховатости поверхности за счет циклов лазерноиндуцированного горения;
-результаты численного моделирования образования шероховатости в зависимости от параметров процесса, их анализ, а также сформулированные выводы и практические рекомендации. Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах академика В.М. Фомина в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, а также на различных российских и международных конференциях:
- XI Всероссийская научная Конференция студентов-физиков и молодых ученых, Екатеринбург 2005;
- XLI и XLIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» Новосибирск, 2003 и 2005 г.
- XII, XIII, XIV Международной конференции по методам аэрофизических исследований (ICMAR), Новосибирск, 2004,2007 и 2008 год;
- Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов -2005», Москва, 2005;
- IV и VI международная конференции "Лучевые технологии и применение лазеров" г. Санкт-Петербург 2004 и 2009 год
- Всероссийская конференция «Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва» Новосибирск, 2007 г.
-Всероссийская молодёжная конференция "Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей" Новосибирск 2008 г.
- 27th International Congress on Applications of Lasers & Electro-optics., 2008, Temecula, CA, USA.
- Всероссийская конференция «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалам в перспективных технологиях и медицине». Новосибирск 2009 г.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 5 статьях в рецензируемых журналах и 17 материалах всероссийских и международных конференций. 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 конференциях. Основные результаты диссертации получены при непосредственном участии автора. Им реализованы численный алгоритм расчета формы шероховатости реза и произведены постановка и обработка данных всех приведенных в работе экспериментов. Результаты совместных работ представлены в диссертации с согласия соавторов.
Кислородная газолазерная резка: анализ текущего состояния исследований и перспективы дальнейшего развития
На рис. 1.2.1 представлена упрощенная схема процесса лазерной резки. Мощное лазерное излучение (1) фокусируется на лист металла, поглощенное излучение и энергия экзотермической реакции окисления металла, разогревает металл до температуры плавления. На фронте реза образуется пленка расплава материала (3), покрытая слоем жидкого оксида (4). Соосно с лучом лазера в зону реза подается струя кислорода с некоторым содержанием нейтральной примеси (2). Кислород из газовой фазы потребляется на поверхности гетерогенной экзотермической реакцией окисления с образованием жидкого продукта - оксида металла. Таким образом, на поверхности фронта реза жидкой пленкой поглощается только кислород, нейтральная примесь остается около поверхности и затрудняет дальнейший доступ кислорода к фронту реза. Чтобы прореагировать с несвязанным железом, кислород, поглощенный из газовой фазы, должен продиффундировать через слой оксида. Под действием газового потока (2) расплав вместе с образовавшимся оксидом железа движется на фронте реза в виде пленки и выносится из области реза. Лазерный луч передвигается, образуя канал реза. Для описания реальной картины лазерной резки металлов с кислородом необходимо рассматривать целый ряд взаимосвязанных физических процессов: —взаимодействие лазерного излучения с поверхностью системы металл-оксид; — распространение тепла в твердом теле и плавление металла; — течение газовой струи в узком канале с поглощением кислорода на передней кромке канала; — образование оксида металла, взаимодействие его с расплавом металла и удаление всей жидкой фазы из канала реза под динамическим воздействием газовой струи; Эти задачи отличаются от близких задач, возникающих при резке с нейтральным газом, из-за протекания интенсивной экзотермической химической реакции окисления металла. В связи с этим достоверное описание протекания реакции становится ключевым моментом в понимании и дальнейшем моделировании лазерной кислородной резки. Известные из литературы модели процессов лазерной резки с кислородом основаны на интегральных законах сохранения массы и энергии. Такие подходы позволяют предсказывать оптимальные режимы резки сравнительно тонких листов, но не работают для листов большей толщины.
В них также не рассматриваются вопросы качества поверхности реза связанные с принципиальными физико-химическими особенностями протекания реакции в специфических условиях лазерной резки. Наиболее полная аналитическая модель кислородной газолазерной резки [3], описывающая энергетический баланс, учитывает энергию на нагрев, плавление, перегрев и частичное испарение материала, тепловые потери за счет теплопроводности в стенки канала, поглощение лазерного излучения и влияние химической реакции. Энергия, выделяющаяся при реакции, рассчитывается по минимальному расходу какого-либо из реагентов;, железа, заполняющего канала реза, или кислорода, поступающего в канал реза. На основе этой модели [3] вычислена оптимальная удельная энергия необходимая для формирования единицы объема канала реза при резке листов различной толщины. Выработаны только наиболее общие критерии, не учитывающие массу дополнительных параметров эффектов и связей между ними, сказывающихся на процессе резки, что признается и самими авторами. В работе [19] закономерности показанные в работе [3] расширены на весь доступный лазерной резке диапазон толщины листов от 5 до 25мм. Экспериментально найдены оптимальная величина лазерной энергии, приходящейся на единицу объема удаляемого материала, и мощность на единицу толщины листа, при которых достигается минимальная шероховатость поверхности реза. В работе [20] рассматривается формирование канала реза за счет плавления металла. Численно решается трехмерное стационарное уравнение теплопроводности в твердом металле.
Модель позволяет учитывать влияние положения фокуса лазерного луча его диаметр, скорость и долю нейтральной примеси в газовой струе. Результатом вычислений являются ширина и глубина канала реза. Для получения результатов, близких к экспериментально наблюдаемым, используется два задаваемых коэффициента, определяющих эффективность использования энергии лазерного излучения и экзотермической реакции. Решается стационарная задача, динамические эффекты, приводящие к образованию шероховатости поверхности. Физические особенности протекания реакции, необходимые для эффективного моделирования и дальнейшего развития технологии, на данный момент находятся в стадии обсуждения [17]. Так как проблема образования шероховатости чрезвычайно актуальна, то, несмотря на отсутствие устоявшейся модели реакции, ей посвящено большое количество работ, основанных на различных общих соображениях. В ряде работ [21-25] изложены физические представления о механизмах, ведущих к образованию бороздчатой поверхности при кислородной газолазерной резке стали, которые основаны на теории циклического окисления железа в кислороде [1,4]. Химические реакции окисления возбуждаются в зоне теплового действия лазерного луча и сопровождаются периодическими циклами воспламенения, горения и затухания.
Скорости реакций лимитируются тепло - и массообменными процессами в газовой, жидкой фазах и твердом металле. С увеличением скорости передвижения луча относительно листа шероховатость уменьшается или полностью исчезает [21,22]. При скорости резки ниже некоторого порогового значения шероховатость поверхности реза становится более выраженной с глубокими и крупными штрихами. Miyamoto I. и др. [21] осуществили физическое моделирование и наблюдение за процессами, сопровождающими лазерную резку металлов излучением С02 лазера. С помощью скоростного фотосъемки они обнаружили, что при резке с кислородом со скоростью меньшей, чем линейная скорость горения металла наблюдается интенсивное горение, в результате чего на поверхности появляется волнистая структура. Химический анализ выдуваемых из разреза частиц, показал, что в их составе, главным образом, содержатся оксиды железа: FeO (50-70 %) и Fe20 (до 20%). Тот же эффект наблюдался при резке волоконным лазером [22]. При скорости резки превышающей скорость движения фронта горения шероховатость исчезает, так как отсутствует описанный выше механизм ее образования. Подобный механизм принципиально отличается от механизмов образования шероховатости при резке с инертным газом наиболее подробно рассмотренных в [9]. Теоретическое описание механизма формирования борозд шероховатости в [22,23-25] связывают с цикличностью процесса, который обусловлен периодическим нарастанием и уносом оксидной пленки. Описание явления уноса пленки авторами [23-25] не рассматривается. Период гидродинамической неустойчивости, определяется по характерному размеру борозд шероховатости на образцах резки. Lin Li [22] описывает процесс образования шероховатости с помощью упрощенной модели диффузионного массопереноса в пленке жидкого оксида и аналитической модели двумерного стационарного теплопереноса в твердой пластине.
Предполагается, что по мере нарастания оксидного слоя интенсивность реакции уменьшается. Временным моментом прекращения реакции считается момент, когда энергии экзотермической реакции не хватает для дальнейшего плавления металла. Удаление образовавшегося толстого оксидного слоя экранирующего металл не рассматривается, а без его удаления повторное инициирования реакции не возможно. В [23] предпринята попытка создания численной модели циклического механизма образования шероховатости. Модель основана на том, что скорость реакции, при температуре выше температуры воспламенения, взятой равной 1173К, лимитируется переносом кислорода из газовой фазы к реагирующей поверхности. Для описания процессов теплопереноса в твердом металле рассматривается двумерное уравнение теплопроводности, записанное в криволинейной системе координат, которое решаются методом конечных объемов, с использованием теплофизических характеристик не низколегированной, а нержавеющей стали. В результате использования заниженной почти на 500К температура воспламенения, реакция не прекращалась в окрестности точки инициирования лазерным лучом и могла распространиться на весь образец. Вследствие этого авторам, чтобы получить
Физико-химическая модель взаимодействия низколегированной стали с кислородом в условиях газолазерной резки
Температурная граница начала интенсивной экзотермической реакции в системе железо-кислород. Расчет скорости реакции по диффузии кислорода через стекающую пленку окисла. Железо в виде низколегированных сталей является наиболее распространенным конструкционным материалом. Вопросы, связанные с горением этого типа материалов в среде кислорода важны, как для повышения эффективности различных технологических процессов при получении и последующей обработке стали, так и для обеспечения пожаробезопасности и надежности- сооружений и конструкций. В тоже время процесс горения и воспламенения исследован недостаточно. Процесс окисления железа в кислороде, согласно диаграмме состояния для системы Fe-Oz, предполагает послойное образование оксидов железа (FemOn) на границе контакта. Рост толщины твердого слоя оксидов происходит по параболическому закону [26], а скорость реакции в этом случае мала, поскольку все лимитируется диффузией кислорода в слое. Считается, что при температуре выше 680с, главным образом, образуется оксид FeO- вюстит, основной реакцией при этом является: Оксид FeO является веществом нестехиометрического состава, и в твердом , состоянии является ионным кристаллом со структурой решетки аналогичной NaCl. Атомы железа и кислорода взаимодействуют друг с другом только электростатически [27]. Нестехиометрия состава возникает из-за включения в решетку атомов трехвалентного железа. При плавлении, такие вещества образуют ионные жидкости, состоящие из химически не связанных друг с другом катионов и анионов. Переход в жидкое состояние сопровождается значительным увеличением транспортных характеристик из-за большой подвижности химически несвязанных ионов в жидкости.
Коэффициенты теплопроводности, электропроводности и диффузии могут отличаться на два и более порядка у твердого и жидкого вещества, что и наблюдается с теплопроводностью и электропроводностью оксида железа [28]. Резкое увеличение транспортных характеристик при переходе оксидного слоя в жидкое состояние приводит к значительному ускорению реакции [29,30,31]. В этом случае обычно говорят, что оксидный слой теряет свои защитные свойства. В жидком слое, с одной стороны, в несколько раз может увеличиться коэффициент диффузии реагентов, а. с другой - возникает конвективное перемешивание, что дает более свободный доступ кислороду к чистому железу. Значение коэффициента диффузии кислорода в жидком оксиде по литературным данным сильно различается. Значения, полученные и используемые в работах [32, 33, 34], вызывают наибольшее доверие, так как достаточно близки. Некоторые вопросы возникают по методике эксперимента и интерпретации результатов при получении значений из работы [34]. В работе указаны два значения коэффициента диффузии для кислорода и железа, соответственно. Возможно, экспериментальные данные обработаны в предположении, что в системе существуют три вещества: буферный оксид железа и растворенные в нем реагирующие ионы железа и кислорода. Такой подход противоречит ионной теории строения основных шлаков [27] и наблюдаемым у оксида железа закономерностям изменения транспортных свойств, характерных для ионных жидкостей. На рисунке 1.3.1. представлена типичная диаграмма состояния Fe-0 [35,36].
Так как, температура плавления вюстита (1644 К) меньше температуры плавления железа (1810 К), то возможны две термоконцентрационные кривые, соответствующие условию протекания интенсивной химической реакции: твердая прослойка оксида железа отсутствует, и жидкий оксид напрямую соседствует с твердым или жидким металлом. Высокотемпературная кривая, проходящая через области I и II (рис. 1.3.1, а) соответствует стационарному протеканию окисления при высокой скорости резки. Расплав железа и расплав оксида являются не смешивающимися жидкостями из-за различных сил межатомного взаимодействия, определяющих их структуру [36, 37] В этом случае пленка стекающей жидкости состоит из внешнего слоя оксида и внутреннего слоя расплава железа, как это показано на рис. 1.3.1, б. Частицы материала, выносимые из реза в натурном эксперименте, имеют аналогичную структуру: сферическое железное «ядро» покрытое коркой оксида [24]. По данным экспериментов [38], действительное потребление кислорода горящим компактным образцом железа может почти в 3 раза превышать
Исследование влияния состава и давления рабочей смеси, состоящей из кислорода и аргона, на характеристики газолазерной резки малоуглеродистой стали
Известно [58], что использование смеси инертного газа с кислородом, при правильном подборе состава и давления, положительно сказывается на качестве поверхности и скорость резки титана и, фактически, является единственным путем увеличения эффективности газолазерной резки этого типа материала. Газолазерная резка низколегированной стали несколько отличается от резки титановых сплавов, и вопрос эффективности использования кислородосодержащих смесей в этой технологии остается открытым. Самым доступным кислородосодержащим газом является воздух, использование воздуха в качестве вспомогательного газа, при поддержании энергетической эффективности резки на уровне эквивалентном использованию технически чистого кислорода является . очень привлекательным с экономической точки зрения. Но воздух содержит большое количество не реагирующих с железом компонент, вследствие чего значимого увеличения скорости резки использование воздуха в обычных условиях не дает. В главе 1 было показано, что скорость реакции определяется скоростью подвода кислорода из газовой струи к поверхности жидкого оксида. Несмотря на то, что эта модель является известной, и ее физические основы сравнительно понятны, экспериментальные работы, касающиеся управления скоростью реакции, оперируют только одним параметром - составом газовой смеси. Утверждается, что смеси с содержанием нейтральной примеси более 1.25% малоприменимы в газолазерной резке [47], а продувка воздухом энергетически эквивалентна использованию нейтрального газа. В тоже время, как видно из формулы (1.3.4), снижение интенсивности химической реакции за счет увеличения доли нейтральной компоненты, можно компенсировать увеличением давление газа и скорости течения в канале. Возможности регулирования скорости реакции газодинамическими характеристиками течения газа в канале не исследовались. Газодинамические условия внутри канала реза формируются конструкцией сопла и давлением газа в форкамере. Возможно использование обычного конического и конфузорно-диффузорного сопла.
В случае использования конического сопла параметры газа в канале реза можно приближенно считать равными параметрам в выходном сечении сопла, рассчитываемым по следующим формулам для двухатомного газа [59]: Тв = 0.8377 , рв= 0.632р ,Рв = 0.529Р , ав = 0.909я (2.2.1) Где: Т , р , Р , а - температура, плотность, давление и скорость звука в форкамере сопла, Тв, рв, Рв, ав температура, плотность, давление и скорость звука в выходном сечении сопла. Результаты оценки по формулам (1.3.4, 2.2.1) приведены в таблице 2.2.1. В первой строке таблицы приведено содержание кислорода в смеси. Во второй строке таблицы представлены расчетные значения скорости реакции в зависимости от содержания кислорода в смеси, при значении давления в форкамере 0.5 ати, эталонная интенсивность реакции рассчитывалась для смеси содержащей 0.5% Аг. В третьей строке таблицы приведено отношение интенсивности реакции к эталонному значению. В четвертой строке приведено значения давления смеси кислорода с нейтральным газом, которое требуется создать в форкамере конического сопла, что бы сохранить эталонную интенсивность химической реакции. При использовании конического сопла и воздуха, с содержанием 21% кислорода, в качестве рабочего газа, для поддержания интенсивности реакции на уровне резки с технически чистым кислородом, требуется создать в форкамере сопла давление свыше 30 избыточных атмосфер. Это давление превышает пределы прочности современных пропускающих фокусирующих оптических элементов примерно в полтора-два раза, но не является принципиально недостижимым.
Экспериментальная проверка компенсации содержания кислорода в смеси, путем повышением скорости и давления газа в канале, возможна в широком диапазоне давлений газовой смеси и соответствующих им концентраций нейтрального газа, и может быть полезной для развития резки на воздухе с высокой скоростью. Формирование газовой струи конфузорно-диффузорным соплом также возможно. Скорость и давление газа на выходе из сопла при свободном истечении в атмосферу рассчитываются по заданной геометрии сопла, но при натекании такой струи на пластину с каналом подобным лазерному резу, значения давления и скорости газа в канале не поддаются аналитической оценке с удовлетворительной точностью [60]. Использование конфузорно-диффузорного сопла интересно в плане формирования равномерного течения газа в канале, обеспечивающего удаление расплава металла и оксида, и формированию качественного реза без грата, что реализуется при резке с нейтральным газом [61]. Резка листов толщиной 5мм. В эксперименте по резке листов стали СтЗ толщиной 5 мм, использовалось излучение мощностью 1 кВт, в качестве рабочего газа использовались смеси с содержанием аргона: 3.25, 6.5, 13.5, 18.5, 31.5 и 55 % ат. Состав смесей определялся прибором «Гиацинт» УХЛ 4.2. Давление варьировалось в зависимости от содержащейся доли аргона. Лазерное излучение фокусировалось на верхней поверхности листа, продувка канала реза смесью газов осуществлялась с помощью конического сопла диаметром 2мм. Контрольная серия резов с использованием технически чистого кислорода показана на рис. 2.2.1.
Физико-математическая постановка задачи образования шероховатости за счет циклов несамостоятельного горения, и метод ее численного решения
Из приведенного в главе 1 обзора литературы и экспериментальных данных первого параграфа этой главы ясно, что при кислородной газолазерной резке существует свой принципиально отличающийся от резки с инертным газом механизм образования шероховатости. Режим образования шероховатости меняется при превышении скорости резки порогового значения, которое зависит в основном от давления кислорода. Существую две модели образования шероховатости при скорости резки ниже пороговой, в них используются разные механизмы протекания циклической химической реакции. В первой модели предполагается прекращение реакции из-за нарастания толстого оксидного слоя, период реакции задается за счет удаления последнего. В рамках этой модели трудно объяснить чувствительность процесса резки к чистоте кислорода, явления пороговой скорости и автогенного перехода, теплофизические условия гибридной резки. Вторая модель основывается на тепловом прекращении цикла химической реакции, в ее рамках естественно описываются явления пороговой скорости, автогенного перехода и гибридной резки. Математическое подтверждение этого механизма образования шероховатости важно для понимания физических основ и дальнейшего развития методов кислородно-лазерной резки. Рассмотрим предполагаемую схему лазерной резки представленную на рис. 3.2.1. Мощное лазерное излучение (I) фокусируется на поверхность листа. Соосно с лучом в зону действия излучения подается струя кислорода с некоторым содержанием нейтральной примеси (II). Кислород из газовой струи потребляется поверхностью металла за счет гетерогенной химической реакции окисления железа, в результате которой образуется жидкий продукт - оксид железа FeO. Поглощенное излучение и энергия экзотермической реакции, разогревают металлическую поверхность до температуры плавления.
На Потребление кислорода сопровождается интенсивным его оттоком из газовой фазы в жидкую пленку, нейтральная примесь остается около поверхности жидкой пленки, накапливается и затрудняет дальнейший доступ кислорода к фронту реза. Чтобы прореагировать с несвязанным железом, кислород, поглощаемый жидкой пленкой из струи газа, проникает через слой оксида за счет диффузии. Лазерный луч при этом непрерывно передвигается с некоторой постоянной скоростью Vc, образуя канал лазерного реза, качество которого (шероховатость, ширина и форма) зависит от большого количества физических параметров. В секторе, ограниченном углом со (рис. 3.2.1, б) температура материала может иметь максимальное значение, оксидный слой при этом может находиться здесь в жидком состоянии. В пределах сектора со расплавленный оксидный слой утрачивает свои защитные свойства. Это выражается в том, что локально возрастает скорость диффузионного переноса кислорода к чистому железу, кислород напрямую может контактировать с жидким или твердым металлом, что приводит к росту интенсивности химической реакции окисления и увеличению скорости горения. Математическое описание картины явления требует рассмотрения в трехмерной постановке ряда взаимосвязанных задач. Решение этих задач в настоящее время затруднено в силу отсутствия развитых методов численного решения сопряженных задач механики сплошных сред и физики лазерного излучения [11-13].
Рассмотрим ряд предположений, которые без утраты общности значительно упрощают постановку изучаемой проблемы: - параметры течения смеси газов и их концентрации считаются постоянными; - массовая скорость Jox окисления железа в потоке газа, содержащем кислород, определяется из соотношения (1.3.4); - в жидкой пленке протекает экзотермическая химическая реакция окисления железа с образованием оксида железа FeO и выделением большого количества тепла; - в жидкой пленке прослойка жидкого железа, примыкающего к твердому металлу, тонка по сравнению со слоем жидкого оксида, так как в условиях конвективной диффузии, за счет обдува газовым потоком, интенсивность химической реакции существенно повышается; - теплофизические свойства жидкой пленки приравниваются к свойствам расплавленного оксида железа; - приток энергии на поверхности металла осуществляется ,за счет лазерного излучения и теплового эффекта реакции в жидком слое; - отвод тепла от поверхности формирующегося реза происходит за счет теплопроводности материала; - материал в твердом и жидком состояниях является изотропным с гомогенными свойствами; - радиационные, конвективные и тепловые потери считаются малыми по сравнению с теплоотводом в твердый металл [9]; - эффектами паро - и плазмообразования пренебрегается [9]. С учетом перечисленных выше предположений далее будет рассматривается задача в двумерной и трехмерной постановке, но без учета движения жидкой пленки. Здесь предполагается, что толщина пленки настолько мала, что конвективный перенос незначителен, течение пленки, поэтому не рассматривается. Жидкая пленка считается неподвюішой, задается лишь ее толщина.
