Оптимизация процесса лазерно-кислородной резки низкоуглеродистой стали тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Маликов Александр Геннадьевич

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНО-КИСЛОРОДНОЙ РЕЗКИ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 9 ДЕН 2010

Новосибирск-2010

004617149

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте теоретической и прикладной механики им. СЛ. Сибирского отделения РАН.

Христиановича

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Оришич Анатолий Митрофанович

кандидат технических наук Шулятьев Виктор Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук Мальков Виктор Михайлович

доктор физико-математических наук, профессор Федоров Александр Владимирович

Ведущая организация:

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Защита состоится " 24 " декабря 2010 г. в " 9 " часов на заседании диссертационного совета Д 003.035.02 в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, ул. Институтская, 4/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН.

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью организации, просьба направлять на имя ученого секретаря совета по указанному адресу в двух экземплярах не позднее, чем за две недели до защиты.

Автореферат разослан « /,$> ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук

И.М. Засыпкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

1. Исследование энергетического баланса и поиск закономерностей оптимального лазерно-кислородного реза по критерию минимума шероховатости поверхности и отсутствие грата.

2. Поиск законов подобия и критериальных зависимостей, определяющих качественный рез.

3. 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.

2. Впервые установлено, что резка с максимальным качеством характеризуется оптимальным числом Пекле, и найдена его величина.

3. Установлено, что при условии минимума шероховатости поверхности входящие в баланс лазерно-кислородной резки энергетические потоки (поглощенная мощность излучения AW, мощность, выделяющаяся в результате экзотермической реакции окисления железа WFe, мощность, затрачиваемая на плавление металла Wm и потери в результате теплопроводности fVconi ) 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 излучения и скорости резки, при которых шероховатость поверхности реза минимальна 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 поверхности реза.

- Установленное значение энергии лазерного излучения, приходящееся на единицу объема удаляемого материала, при резке низкоуглеродистой стали с минимальной шероховатостью, равное 19,4 Дж/мм3.

- Минимальная шероховатость реза достигается при оптимальном значении двух безразмерных параметров - числа Пекле, Ре = Vcb/y = 0,5-0,6, и удельной мощности излучения, которая равна W/ XmtAT = 1,6.

- Потоки мощности, входящие в энергетический баланс лазерно-кислородной резки для толщин 5, 10 и 16 мм, отнесенные к толщине разрезаемого листа

4

(AW/t,Wm/t,Wcond/t и WFe/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 = \94/, Vc =11/(0,35 + 0,02/), где W [Вт], Vc [мм/с] и / [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, С A, 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко анализируется современное состояние вопроса. Обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы. Перечислены основные положения диссертации, выносимые на защиту, приводится научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Приводится краткое описание диссертации по главам.

Первая глава посвящена описанию процесса лазерной резки металлов. Представлена схема резки. Описаны различные виды резки. Высота бороздок на боковой поверхности лазерного реза (рис. 1), в дальнейшем именуемых шероховатостью поверхности реза, является важнейшим показателем качества реза. Количественно шероховатость измеряется высотой бороздчатой структуры стандартизованным параметром .

Поиск надёжных методов прогнозирования результатов резки с учетом показателя качества остается актуальным.

Рис. 1. Боковая поверхность реза.

Проведен анализ современного состояния исследований.

Сделан вывод, что теоретическое исследование не позволяет спрогнозировать получение оптимальных условий резки.

К настоящему времени накоплена довольно обширная база экспериментальных данных по лазерной резке, но она относится, главным образом, к области тонких листов - толщиной менее 10 мм. Кроме того, корректное сопоставление данных из разных источников для выявления общих закономерностей не всегда возможно, так как опубликованные результаты экспериментальных исследований часто содержат неполные наборы данных, или эксперименты проводятся при разных условиях. Во многих работах критерии качества указываются неоднозначно или вообще не указываются.

В результате показано, что экспериментальный поиск оптимальных условий получения качественного реза является актуальным и практически значимым.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки и методов измерения шероховатости поверхности реза.

Для установления общих закономерностей лазерной резки эксперименты должны быть выполнены в широком диапазоне толщин и мощностей лазерного излучения. При этом крайне важно, чтобы во всем диапазоне параметров резки стабильным оставался модовый состав лазерного излучения.

В первом пункте второй главы дано понятие качества излучения, анализируются различные типы резонаторов, позволяющие получить высокое качество излучения. В качестве эталонного резонатора принимается устойчивый резонатор с гауссовым распределением излучения. В настоящей работе представлены результаты, полученные с использованием технологического комплекса для резки на основе С02-лазера с самофильтрующим резонатором (СФР). Данный технологический комплекс разработан и создан в ИТПМ СО РАН.

Производится сравнение устойчивого резонатора (УР) и СФР, который позволяет получить высокое значение мощности излучения при высоком качестве.

Во втором пункте второй главы описан автоматизированный технологический комплекс для лазерной резки. В состав комплекса входят: непрерывный СОг-лазер мощностью 8 кВт с параметром качества пучка К = 0.7, технологический стол, построенный по принципу «летающая оптика», САГ)/САМ-система управления комплексом, система слежения за профилем листа на основе емкостного датчика.

Внешний вид АЛТК приведен на рис. 2.

Рис. 2. АЛТК «Сибирь 1».

В третьем пункте второй главы производится сравнение влияния СФР и УР на характеристики лазерного реза. Эксперименты с СФР и УР производились при близких условиях.

Экспериментально установлено, что шероховатость поверхности реза, скорость, ширина реза при резке с СФР близки к величинам, характерным для С02-лазеров с У Р.

В четвертом пункте второй главы дано определение понятия шероховатости поверхности реза, а также показаны методы ее измерения.

Измерение шероховатости поверхности происходило в двух сечениях - на расстоянии 1/3 и 2/3 толщины от верхней поверхности листа, и для характеристики образца выбиралось большее значение шероховатости (рис. 3). Измерение производилось двумя методами:

контактным методом, с помощью профилометр Rank Taylor Hobson серии Form Talysurf;

бесконтактным методом, с помощью конфокального сканирующего лазерного микроскопа Olympus LEXT OLS3000.

Микроскоп позволяет методом послойного сканирования получить трехмерную картину поверхности и определить величину шероховатости в виде величины i?2 в выбранном сечении. Изображение, полученное с помощью микроскопа, показано на рис. 4.

Рис. 3. Образец реза при г = 25мм, рис. 4. Изображение участка реза.

IV = 4,5 кВт, Ус = 0,6 м/мин. Толщина образца 5 мм.

В заключение представлены основные результаты для данной главы.

Третья глава посвящена изучению характера зависимостей основных параметров реза от условий эксперимента. Для решения главной задачи данной работы - проведения оптимизации качества реза, на первом этапе необходимо было провести предварительное исследование и очертить границы области, в которой реализуется качественный рез.

Производилось изучение степени влияния ширины реза, величины мощности излучения, скорости резки, перепада давления технологического газа на качество реза в широком диапазоне изменений данных величин.

Шероховатость поверхности при лазерно-кислородной резке металлов может быть представлена как функция следующих параметров:

где Ж - мощность излучения, Ус - скорость резки, Ъ - ширина реза, ? - толщина стального листа, АР - перепад давления технологического газа на толщине листа, свойства разрезаемого материала (рг, - плотность и динамическая вязкость технологического газа, Ст,Хт,рт,Тт,Ьт - теплоемкость, теплопроводность, плотность, температура и теплота плавления металла соответственно).

Шероховатость поверхности реза Яг, параллельность стенок щели реза, наличие грата значительным образом зависят от условий проведения реза.

Резка производилась излучением с круговой поляризацией по традиционной схеме - излучение фокусировалось одиночной гиБе-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 %. Разрезались листы низкоуглеродистой стали СтЗпс толщиной 5, 10, 16, 20, 25 мм.

Методика экспериментов заключалась в следующем. Для выбранной толщины разрезаемого листа I фиксировалась мощность излучения IV, фокусное расстояние линзы /, избыточное давление кислорода Р. Затем определялось положение А/ фокуса луча относительно поверхности листа и скорость резки Ус, при которых величина Я2 минимальна. Определялась величина Яг в зависимости от ширины реза Ь.

Далее производилось изменение значения мощности излучения и итерации повторялись. Количество полученных образцов составляло порядка 5000.

В первом пункте третьей главы рассматривается оптическая система лазерной резки металла. Производится выбор фокусирующей системы, которая во многом определяет геометрические размеры зоны обработки, значения удельных энергетических характеристик лазерного излучения. В наших экспериментах изменение ширины реза основывалось как на изменении фокусного расстояния линзы, так и на смещении точки фокусировки относительно поверхности.

Во втором пункте третьей главы показаны результаты эксперимента по исследованию изменений шероховатости поверхности реза в зависимости от ширины реза Ъ. Ширина реза варьировалась с помощью изменения положения фокуса относительно поверхности листа и фокусного расстояния линзы. Установлено наличие минимума Яг в зависимости от ширины реза (рис. 5).

\Л/=2,3 кВт

2 5

0,4 0,5 0,6

0,7 0,8

Ь, мм

0,9 1,0

Рис. 5. Зависимость шероховатости поверхности Яг от ширины реза Ь. Мощность излучения № = 2,3 кВт, толщина 1=5 мм.

Показано, что качественный рез достигается, когда разница между верхней шириной реза и нижней минимальна. Процесс стремится к формированию параллельных стенок поверхностей реза.

Необходимо отметить, что оптимальная ширина реза практически не зависела от выбора фокусирующей системы. Например, в диапазоне мощностей 1-3 кВт для линзы с фокусным расстоянием / = 127 мм, минимальная шероховатость достигалась при тех же ширинах реза, что и при линзе с фокусным расстоянием / = 190 мм (толщина разрезаемого листа 5 мм).

В третьем пункте третьей главы описаны эксперименты по исследованию шероховатости поверхности реза в зависимости от скорости резки. Согласно методике эксперимента для определенной мощности излучения, при оптимальной ширине реза измерялась зависимость Дг от скорости резки и устанавливалась скорость резки, соответствующие минимуму шероховатости. Далее измерения повторялись для других значений мощности излучения. Оптимальная скорость резки для толщины 5 мм при различной мощности излучения показана на рис. 6.

£ = 5 мм

>° 0,60,40,20,0-1................ ■ >

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

W, кВт

Рис. 6. Зависимость оптимальной скорости резки от мощности излучения, при t =5 мм.

В четвертом пункте третьей главы описаны эксперименты по получению качественных резов в координатах VC-APt а также по изучению влияния давления кислорода на ширину реза. Показано, что повышение давления слабо влияет на ширину реза. Максимальное качество достигается при низком давлении. Диапазон скоростей качественной резки слабо зависит от давления и сильно от толщины разрезаемого материала. При этом наблюдается минимальная скорость Vc =(0,4-0,5) м/мин, при которой возникает неуправляемое горение. Данная скорость очень слабо зависит от толщины материала, давления кислорода и мощности лазера.

В пятом пункте третьей главы излагаются результаты исследования шероховатости поверхности при различной толщине листа. На рис. 7 показана зависимость шероховатости поверхности реза от толщины листа, при оптимальных условиях резки: скорости резки, ширины реза, мощности излучения.

45 40 35 I 30 S„ 25 0^20 15 10 5-I

* 1/31 ■ 2/31

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

1, ММ

Рис. 7. Зависимость шероховатости поверхности реза от толщины листа.

Четвертая глава посвящена процессу обработки данных с использованием безразмерных параметров, исследованию энергетического баланса лазерно-кислородной резки толстых стальных листов при условии минимума шероховатости реза.

Первый пункт четвертой главы посвящен выбору безразмерных параметров при лазерно-кислородной резке стали.

Выбираются следующие характерные для лазерной резки безразмерные параметры:

- число Пекле Ре =

VcbpmCm _ Vcb

где у=-

РпРт

— температуропроводность;

- безразмерная мощность Ве =

W

отношение мощности лазерного из-

лучения к потерям энергии в единицу времени за счет теплопроводности; - отношение пространственных размеров bit.

Для получения безразмерных величин использовались константы Вт см^

Хт = 0,8-, у = 0,2-, соответствующие нормальным условиям.

см - К с

Названным безразмерным параметрам соответствуют размерные комбинации Wit, bVc, которые могут быть определены экспериментально.

Оптимизация качества реза по двум параметрам Vc и b представлена на рис. 8 (а). Каждая точка на этих рисунках соответствует минимуму Rz при последовательной оптимизации по скорости резке Vc и ширине реза b для заданной мощности излучения W.

На рис. 8, (б) те же данные представлены в координатах WIt, bVc.

Толщина лис!

* - 5мм

• -10 мм

* - 16 ММ

• - 20 мм ■ -25 мм

0,0 0.5 1.0 1,5 2.0 2.5 3,0 3,5 4,0 4,5

W, кВт

а)

100 200 300 4 00 500 600 700 800

W/t, Вт/мм б)

Рис. 8. Зависимость оптимальной скорости резки от мощности излучения при различной толщине листа. а)-а координатах W,VC\ б) -в. координатах Wit, bVc.

На рис. 8 (б) видно, что в координатах W/t, bVc все точки можно описать одной зависимостью. Эта зависимость близка к линейной, с коэффициентом наклона W/tbVc= 19.4 Дж/мм3. То есть при данных значениях толщины листа и мощности излучения для достижения минимума R, вклад лазерной энергии в единицу объема удаляемого вещества должен оставаться постоянным.

Зависимость Rz от Vc и W представлена на рис. 9 для толщины 5 мм в коор-W УЪ

динатах Rz/t, толщин.

-. Эта же зависимость была получена и для других

0.014 0.012 i; 0.0100.0080,006 0,0040.002-

ш=т вт/мм

Рис. 9. Зависимость шероховатости поверхности реза от мощности излучения и скорости резки в безразмерных координатах при 1=5 мм.

Vfi/r

Рис. 10. Зависимость Rz //от числа Ре, при t = 10мм.

На рис. 10 показана экспериментальная зависимость числа от Ре для толщины 10 мм.

Рис. 11. Шероховатость поверхности реза от мощности излучения и скорости резки в безразмерном виде для 10 мм.

Полная картина профиля функции / / от мощности излучения, скорости резки, ширины реза в безразмерном виде представлена на рис. 11.

Параметр Я2Н имеет минимум, который достигается при значениях числа Ре = 0,5-0,6.

Величины \¥11, соответствующие минимуму Я2 для толщин 5-25 мм представлены в табл. 1.

Таблица 1_ _ _

/, мм 5 10 16 20 25

Ж/1, Вт/мм 220 180 190 200 180

Среднему для всех толщин значению ^//=194 Вт/мм можно сопоставить

¡V

безразмерный параметр Ве =-= 1,6.

Ширина реза, при которой поверхность реза имеет минимальную шероховатость, растет с увеличением толщины листа (рис. 12). При линейной аппроксимации зависимость имеет вид Ь = 0,35 + 0,02/(где Ь и / измеряются в миллиметрах).

0,0-1---1—.—,—.—,—--,---,--

0 5 10 15 20 25

1, ММ

Рис. 12. Зависимость ширины реза, соответствующей минимуму шероховатости, от

толщины листа.

Задаваемыми параметрами при лазерной резке являются толщина листа, мощность излучения и скорость резки. Используя найденные оптимальные значения IVИ, ЬУС и зависимость ¿(/), для резки с минимальной шероховатостью можно записать следующие соотношения, связывающие IV [Вт], Ус [мм/с] и / [мм]: Г = 194?, Гс = 11/(0,35 + 0,02/).

Во втором пункте четвертой главы представлены исследования энергетического баланса лазерно-кислородной резки металлов при минимуме шероховатости поверхности реза. При лазерно-кислородной резке наряду с лазерным излучением значительную долю полного вклада энергии составляет энергия экзотермической реакции окисления железа. На плавление удаляемого из канала реза материала расходуется только часть вложенной энергии, значительная доля теряется вследствие теплопроводности и затрачивается на нагрев образца. Очевидно, что скорость резки и число Пекле определяются полным балансом энергии, а условия качественной резки должны включать также мощность, выделяемую при окислении железа и мощность, теряемую за счет тепловых потерь. Найденные ранее критерии включают только мощность Ж лазерного излучения. Оставалось неясным, каким образом учитываются другие компоненты энергетического баланса.

Выражение баланса энергии лазерной резки стали с кислородом записывают в виде

= К + + 0)

где А - интегральный коэффициент поглощения; \¥ - мощность излучения лазера; - мощность, выделяющаяся в результате экзотермической реакции окисления железа; 1Ут - мощность, затрачиваемая на плавление металла в зоне реза; ¡Усоай - мощность, теряемая из зоны реза за счет теплопроводности в окружающий металл. При лазерной резке металл удаляется в жидкой фазе и затратами энергии на испарение в (1) обычно пренебрегают.

1. Величина Щс определяется из выражения

№¥е=фУсрт(Ео2/М?е), (2)

В (2) использованы обозначения: рт плотность разрезаемого Бе, Еог энергия реакции - Ре+1/202=¥еО+Ео2 и М¥е молярная масса Бе.

Однако в (2) входит параметр ?] - доля железа, которая окислилась в процессе удаления расплава из щели реза. Величина г/ значительно зависит от условий эксперимента. Прямое измерение этого параметра затруднено, т.к. степень окисления продуктов лазерной резки изменяется в процессе распространения капель расплава от зоны резки до места их сбора.

С учетом данного обстоятельства, в наших опытах проводились измерения величин А; Ж, 1Ут и ^С0П[1. На основе полученных данных, величина вычислялась из выражения 1УГе = IVт + 1¥сопй —А1¥.

Параметры резки для каждой толщины выбирались исходя из ранее установленных критериев (пункт 4.1) получения минимальной шероховатости поверхности реза.

2. Величина \Ут определялась из выражения

1Ут={ЪУсРт{СтАТ + Ьт), (3)

где Ст - 0,66 Дж/(г-К) - средняя в процессе резки удельная теплоемкость металла, Ьт = 275 Дж/г - теплота плавления и ДТ = Т„— Тт0 - изменение температуры металла в процессе резки, Тт0 = 300 К - начальная температура стального листа, Тт — температура жидкого металла в зоне реза.

3. Величина №сопЛ определялась калориметрическим методом. От полосы стали толщиной / отрезался прямоугольный образец; фиксировалось время резки. После чего с помощью специального калориметра вычислялась энергия, которая затрачивалась на нагрев образца в процессе резки. Далее рассчитывалась величина 1~УсопЛ, при этом учитывалось, что в отрезанном образце содержится только половина всех потерь на нагрев. Ширина образца выбиралась такой, чтобы за время резки не происходило «запирания» тепла в узком образце. Для каждой толщины отрезалось несколько образцов, результат усреднялся.

4. Измерялся коэффициент поглощения в процессе резки, при условии минимума Я2. Под коэффициентом поглощения здесь понимается интегральный коэффициент, когда учитывается также мощность, поглощённая при возможных многократных отражениях от фронта и стенок реза. Метод основан на измерении мощности излучения, прошедшего через канал реза. В эксперименте использовался измеритель мощности ОРНШ. 5000\У-САЬ-8Н. Поглощённая в канале реза мощность определялась как разность между мощностью на входе в канал и выходе из канала. Результат измерения показан на рис. 13. При / > 5 мм величина А изменяется слабо и имеет тенденцию к насыщению.

1, мм

Рис. 13. Зависимость коэффициента поглощения А в канале реза от толщины листа 1 .

В таблице 2 приведены обобщенные данные исследуемых мощностей для толщин стального листа 5,10,16 мм.

Таблица 2 _

1 , мм Ж, Вт АУГ, Вт Вт Вт ^сопЧ.Вт

5 1000 650 833 664 819.9

10 2000 1500 1478 1370 1608

16 3000 2490 2724 2377 2837

Экспериментальные значения величин АЖ/(, ¡У¥е://, }Ут/Г И /1 для толщин 5, 10 и 16 мм показаны на рис. 14.

wí/t,

Вт/мм

■ \zvyt

• ИГ Л

сопя

д тп

- V

о I . I . 1 . I , I . ! . 1 . 1 . I ■ I

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 1, ММ

Рис. 14. Относительная величина различных компонент баланса энергии при разных толщинах разрезаемого листа.

Данные величины не зависят от толщины разрезаемого материала. Из рис. 14 видно, все удельные, т.е. отнесенные к единице толщины, потоки энергии близки друг другу.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Для лазерной резки низкоуглеродистой стали с кислородом, в качестве вспомогательного газа, экспериментально исследована зависимость шероховатости поверхности от параметров резки при толщине листов 5-25 мм.

1. Установлено, что минимум шероховатости поверхности достигается в том случае, если во всем диапазоне толщин остаются постоянными величина лазерной энергии, приходящейся на единицу объема удаляемого материала, и мощность на единицу толщины листа. Этому условию соответствует постоянное значение числа Пекле 0,5-0,6.

2. Найдена также зависимость ширины реза от толщины разрезаемого листа в условиях минимума шероховатости. Она имеет вид ¿ = 0,35 + 0,02/. Это позволило выразить результаты экспериментов в виде соотношений, связывающих рабочее параметры: мощность излучения, скорость резки и толщину листа, при которых шероховатость минимальна для заданной толщины.

3. Экспериментально установлено, что потоки энергии, входящие в энергетический баланс при лазерной резке стали - поглощенная мощность излучения лазера; - мощность, выделяющаяся в результате экзотермической реакции окисления железа; 1Ут - мощность, затрачиваемая на плавление металла в зоне реза; 1Усопй - мощность, теряемая из зоны реза за счет теплопроводности в окружающий метал), отнесенные к единице толщины листа, не зависят от /.

4. Показано, что входящие в энергетический баланс удельные потоки мощности (ЛЖ//,ЖРе//,^сош1// и IVт /1) для толщин 5, 10 и 16 мм имеют близкие значения. Экспериментальный разброс этих величин лежит в интервале 130-170 Вт/мм.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах. Входящие в перечень ВАК:

1. Маликов А.Г., Оришич A.M., Шулятьев В.Б. Экспериментальная оптимизация газолазерной резки толстых стальных листов // Квантовая электроника. 2009. Т. 39. № 6. С. 547-551.

2. Фомин В.М., Маликов А.Г., Оришич A.M., Шулятьев В.Б. О законах подобия газолазерной резки толстых стальных листов // Доклады академии наук. 2009. Т. 428. № 3. С. 325-329.

Патент

Патент РФ № 2350445. Способ резки толстых металлических листов. Оришич A.M., Фомин В.М., Шулятьев В.Б., Ермолаев Г.В., Зайцев A.B., Ковалев О.Б., Маликов А.Г., Юдин П.В. Дата публикации 27.03.2009. Бюл. № 9.

Публикации по теме диссертации:

1. Malikov A.G., Orishich A.M., Shulyatyev V.B. Scaling laws for the laser-oxygen cutting of thick-sheet mild steel // International Journal of Machine Tools and Manufacturing. 2009. V. 49. No. 14. P. 1152-1154.

2. Orishich A.M., Shulyatyev V.B., Malikov A.G. Scaling Laws for the Reactive-Gas Laser Cutting of Thick Steel Sheets // 28th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics: Proceedings. Orlando, FL, USA, 2009. P. 276-280.

3. Fomin V.M., Malikov A.G., Orishich A. M., Shulyatyev V. B. Energy balance of laser-oxygen cutting of thick steel sheets with minimal roughness // 29th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics: Proceedings. Anaheim, CA, USA, 2010. P. 266-269.

4. Orishich A.M., Kovalev O.B., Malikov A.G., Shuliatyev V.B., Yudin P.V., and Zaitsev A.V. Double-nozzle control of a subsonic gas flow in the conditions of gas-laser cutting // 27th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics: Proceedings. Temecula, CA, USA, 2008. P. 611-614.

5. Orishich A.M., Malikov A.G., Shulyatyev V.B. Experimental search of similarity criteria for the high-quality cutting of mild steel // XVII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers: Extended Abstract. Lisbon, Portugal, 2008. P. 151.

6. Orishich A.M., Shulyatyev V. В., Malikov A.G. Experimental search of scaling laws for laser-oxygen cutting of mild steel based on similarity criteria// VI Int. Symposium Laser Technologies and Lasers: Abstract. Smolyan, Bulgaria, 2009. P. 15.

7. Маликов А.Г., Оришич A.M., Шулятьев В.Б. Энергетические условия газолазерной резки толстых стальных листов // Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии. VII Всероссийская конференция молодых ученых: Тезисы докладов. Новосибирск, 2009. С. 143-145.

8. Маликов А.Г. Методика оценки энергетического баланса газолазерной резки толстых стальных листов // Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей: Докл. Всероссийской молодежной конф. Вып. XII / Под ред. В.В. Козлова. Новосибирск: Параллель, 2010. С. 199-202.

9. Маликов А.Г., Оришич A.M., Шулятьев В.Б. Энергетические условия газолазерной резки толстых стальных листов // Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине: Тезисы докладов III Всероссийской конференции. Новосибирск: Сибирское Научное Издательство, 2009. С. 105-106.

10. Маликов А.Г., Оришич A.M., Шулятьев В.Б. Законы масштабирования для газолазерной резки низкоуглеродистой стали с минимальной шероховатостью // Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине: Тезисы докладов III Всероссийской конференции. Новосибирск: Сибирское Научное Издательство, 2009. С. 107-108.

11. Malikov A.G., Orishich A.M., Shuljatyev V.B. Energy conditions of gas-laser cutting of thick steel sheets // International Conference on Methods of Aerophysical Research: Abstr. Pt I. / Ed. V.M. Vomin. Novosibirsk: Parallel, 2010. P. 171-172.

12. Orishich A.M., Malikov A.G., Shuljatyev V.B. Experimental search of similarity criteria for laser cutting of thick-sheets steel // International Conference on Methods of Aerophysical Research: Abstr. Pt I. / Ed. V.M. Vomin. Novosibirsk: Parallel, 2010. P. 198-199.

Ответственный за выпуск А.Г. Маликов

Подписано в печать 12.11.2010 Формат бумаги 60 х 84/16, Усл. печ. л. 1.0, Уч.-изд. л. 1.0, Тираж 100 экз., Заказ № 12

Отпечатано в ЗАО «ДокСервис» 630090, Новосибирск, ул. Институтская, 4/1

Содержание

Введение.

Глава 1. Лазерная резка, анализ состояния исследований.

1.1 Лазерная резка металлов, основные виды.

1.2 Анализ состояний исследования. 18 Выводы к главе 1.

Глава 2. Описание экспериментальной установки и методов измерения.

2.1 Введение.

2.2 Технологические комплексы для резки на основе С02-лазера с СФР.

2.3 Сравнение СФР и УР на характеристику лазерного реза.

2.3.1 Низкоуглеродистая сталь.

2.3.2 Коррозионно-стойкая сталь.

2.4 Шероховатость поверхности реза и методы ее измерения.

2.4.1 Шероховатость поверхности.

2.4.2 Методы и средства определения шероховатости поверхности.

2.4.3 Принцип работы конфокального микроскопа. 48 Выводы к главе 2.

Глава 3. Изучение характера зависимостей основных параметров реза от условий эксперимента.

3. Введение.

3.1 Оптическая система лазерной резки металла.

3.2 Ширина реза в зависимости от положения фокуса и фокусного расстояния.

3.3 Шероховатости поверхности реза в зависимости от скорости резки

3.4 Область качественныхрезов в координатах Ус— АР, зависимость ширины реза от давления кислорода.

3.5 Ширина реза при различной толщине листа. 72 Выводы к главе 3. -

Глава 4. Законы подобия и энергетические закономерности лазерно-кислородной резки толстых стальных листов.

4.1 Безразмерные параметры при лазерно-кислородной резки стали.

4.2 Энергетические закономерности лазерно-кислородной резки металлов. 85 Выводы к главе 4. 98 Заключение. 99 Список литературы.

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 оке 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

1. Исследование энергетического баланса и поиск закономерностей оптимального лазерно-кислородного реза по критерию минимума шероховатости поверхности и отсутствие грата.

2. Поиск законов подобия и критериальных зависимостей, определяющих качественный рез. 3. 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 рез-- ке при условии минимальной шероховатости -поверхности реза энергия лазерного излучения, приходящаяся на единицу объема удаляемого материала, остается постоянной.

2. Впервые установлено, что резка с максимальным качеством характеризуется оптимальным числом Пекле, и найдена его величина.

3. Установлено, что при условии минимума шероховатости поверхности входящие в баланс лазерно-кислородной резки энергетические потоки (поглощенная мощность излучения АЖг мощность, выделяющаяся в результате экзотермической реакции окисления железа ЖРе, мощность, затрачиваемая на плавление металла Шт и потери в результате теплопроводности ЖС0П[1) 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 излучения и скорости резки, при которых шероховатость поверхности реза минимальна 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 поверхности реза.

- Установленное значение энергии лазерного излучения, приходящееся на единицу объема удаляемого материала, при резке низкоуглеродистой стали с минимальной шероховатостью, равное 19,4 Дж/мм3.

- Минимальная шероховатость реза достигается при оптимальном значении двух безразмерных параметров - числа Пекле, Ре = УСЫ у = 0,5-0,6, и удельной мощности излучения, которая равна Ж/Ят/АТ = 1,6.

- Потоки мощности, входящие в энергетический баланс лазерно-кислородной резки для толщин 5, 10 и 16 мм, отнесенные к толщине разрезаемого листа (AW11,Wmlt,WcmAlt и WFe./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: ■Ж = 194/, Vc - 11/(0,35 + 0,02?), 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;

- XIX Международная конференция по лазерам, их приложениям и технологиям, Казань, 2010.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 4 статьях в рецензируемых журналах и 11 материалах всероссийских и международных конференций. Получен один патент РФ на изобретение.

Краткое содержание работы по главам.

Первая глава посвящена описанию процесса лазерной резки металлов. Представлена схема резки. Описаны различные виды резки. Проведен анализ современного состояния исследований на сегодняшний день.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки и методов измерения шероховатости поверхности реза.

В первом пункте второй главы дано понятие качества излучения, анализируются различные типы резонаторов, позволяющие получить высокое качество излучения. В качестве эталонного резонатора принимается устойчивый резонатор (УР) с гауссовым распределением излучения. В настоящей работе представлены результаты, полученные с использованием технологического комплекса для резки на основе СОг-лазера с само фильтрующим резонатором (СФР). Данный технологический комплекс разработан и создан в ИТПМ СО РАН. Производится сравнение устойчивого резонатора (УР) и СФР, который позволяет получить высокое значение мощности излучения при высоком качестве.

Во втором пункте второй главы описан автоматизированный технологический комплекс для лазерной резки, созданный в ИТПМ СО РАН.

В третьем пункте второй главы производиться сравнение СФР и УР на характеристику лазерного реза. Эксперименты с СФР производились при близких условиях, что и с УР.

Экспериментально установлено, что шероховатость поверхности реза, скорость, ширина реза, при резке с СФР, близки к величинам, характерным для СОг-лазеров с УР.

В четвертом пункте второй главы дано определение понятия шероховатости поверхности реза, а так же показаны методы ее измерения, которые производились двумя методами: контактным и бесконтактным.

Третья глава посвящена изучению характера зависимостей основных параметров реза от условий эксперимента. Для решения главной задачи данной работы - проведения оптимизации качества реза, на первом этапе необходимо было провести предварительное исследование и очертить границы области, в которой реализуется качественный рез.

Производилось изучение степени влияния ширины реза, величины мощности излучения, скорости резки, перепада давления технологического газа на качество реза в широком диапазоне изменений данных величин.

В первом пункте третьей главы рассматривается оптическая система лазерной резки металла. Производиться выбор фокусирующей системы, которая во многом определяет геометрические размеры зоны обработки, значения удельных энергетических характеристик лазерного излучения.

Во втором пункте третьей главы показаны результаты эксперимента по исследованию изменению шероховатости поверхности реза в зависимости от ширины реза. Ширина реза изменялась с помощью изменения положения фокуса и фокусного расстояния линзы. Установлено наличие минимума Я2 в зависимости от ширины реза.

Показано, что качественный рез достигается, когда разница между верхней и нижней шириной реза минимальна.

В третьем пункте третьей главы описаны эксперименты по исследованию шероховатости поверхности реза в зависимости от скорости резки. 8

В четвертом пункте главы, три описаны, эксперименты; по. получению качественных резов-в координатах атакжепо изучению влияния давление кислорода на ширину реза. Показано, что,повышение давления: слабо, влияет на изменение ширины реза. Максимальное качество достигается при; низком давлении:. Диапазон; скоростей качественной резки • слабо; зависит от давления и сильно от толщины разрезаемого материала.

В пятом пункте главы-три излагаются результаты исследования шерохова1 . тости поверхности при различной толщине листа.

Четвертая глава посвящена процессу обработки данных с использованием, безразмерных параметров, исследованию энергетического баланса лазерно-кислородной резки,толстыхстальных листов при условии* минимума шероховатости реза:

Первый пункт четвертой главы посвященвыбору безразмерных параметров при лазерно-кислороднойфезки,стали.

Показано, что во всем диапазоне;толщин и мощностей при условии минимума Кг вклад лазерной энергии в единицу объема удаляемого вещества оста-етсяпостоянным. Численное значение равно 1¥/ЖУс =19.4 Дж/мм3.

Установлено, что параметр: 11% /1 имеет минимум для толщин 5-25 мм, кото

УЬ рый достигается при числе Пекле Ре = - 0,5 -0,6, где у- — температуропро

7 - ■ ■ водность. Найдено среднее значение; И7//=194 Вт/мм, соответствующие минимуму Щ. Этому значению можно сопоставить безразмерный? параметр Ш

Ве = ——- = 1,6.

Получена экспериментальная зависимость ширины реза^ при которой шверх-ность реза имеет, минимальную шероховатость, от толщины листа. Данная, зависимость имеет вид: Ь - 0,35 + 0,02/ (где Ъ и I измеряются в миллиметрах).

Задаваемыми параметрамишри лазерной резке являются толщина листа, мощность излучения и скорость резки. Используя найденные оптимальные значения

• 9 ' ' ' . '

Wit, bVc и зависимость b(t), для резки с минимальной шероховатостью можно записать следующие соотношения, связывающие W [Вт], Vc [мм/с] и t [мм]:

W = 194/, Vc= 11/(0,35 + 0,020

Во втором пункте четвертой главы представлены исследования энергетического баланса лазерно-кислородной резки металлов при минимуме шероховатости поверхности реза. При лазерно-кислородной резке наряду с лазерным излучением значительную долю полного вклада энергии составляет энергия экзотермической реакции окисления железа. На плавление удаляемого из канала реза материала расходуется только часть вложенной энергии, значительная доля теряется вследствие теплопроводности и затрачивается на нагрев образца. Очевидно, что скорость резки и число Пекле определяются полным балансом энергии, а условия качественной резки должны включать также мощность, выделяемую" при окислении железа и мощность, теряемую за счет тепловых потерь. Найденные ранее критерии включают только мощность W лазерного излучения. Оставалось неясным, каким образом учитываются другие компоненты энергетического баланса. Выражение баланса энергии лазерной резки стали с кислородом записывают в виде

AW + WFc = Wm+Wcond+Wv> (1) где А - интегральный коэффициент поглощения; W - мощность излучения лазера; Щ:с — мощность, выделяющаяся в результате экзотермической реакции окисления железа; Wm — мощность, затрачиваемая на плавление металла в зоне реза; Wcond — мощность, теряемая из зоны реза за счет теплопроводности в окружающий металл. При лазерной резке металл удаляется в жидкой фазе и затратами энергии на испарение Wv в (1) обычно пренебрегают.

В работе проводились измерения величин А, W, Wm и Wcond, в точке минимума R На основе полученных данных, величина WVc вычислялась из выражения WFe =Wm+ Wcmd -AW.

Параметры резки для каждой толщины выбирались из ранее установленных критериев получения минимальной шероховатость поверхности реза.

Величина Wm определялась из выражения

Wm=tbVcPm(CmAT + Lm). (2)

Величина Wcond определялась калориметрическим методом.

Измерялся коэффициент поглощения в процессе резки, при условии минимума Rz. Под коэффициентом поглощения здесь понимается интегральный коэффициент, когда учитывается также мощность, поглощённая при возможных многократных отражениях от фронта и стенок реза.

В результате показано, что все экспериментальные значения величин AW5 Жре, Wm и Wcond, отнесенные к единице толщины разрезаемого стального листа, близки друг другу. Данные величины также не зависят от толщины разрезаемого листа, при условии минимума Rz.

В заключении диссертации приводятся основные результаты и выводы.

Автор выражает глубокую благодарность своим научным руководителям Оришичу A.M. и Шулятьеву В.Б., всему коллективу лаборатории №3 «Лазерные технологии» ИТПМ СО РАН за сотрудничество. А также благодарит Ермолаева Г.В., Зайцева A.B., Юдина П.В. за полезные дискуссии и советы.

Выводы к главе 4

1. Для лазерной резки низкоуглеродистой стали с кислородом, в качестве вспомогательного газа, экспериментально исследована зависимость шероховатости поверхности от параметров резки при толщине листов 5. .25 мм.

2. Установлено, что минимум шероховатости поверхности (RzIt- const) достигается в том случае, если во всем диапазоне толщин остаются постоянными величина лазерной энергии, приходящейся на единицу объема удаляемого материала.

3. При условии минимума шероховатости поверхности реза число Пекле остается постоянным.

4. Определены закон подобия и критериальные зависимости, определяющие качественный рез.

5. Измерен коэффициент поглощения излучения при резке стали толщиной 5—16 мм.

6. Показано, что в процессе резки происходит окисление 30-36 % железа, причем степень окисления в пределах экспериментального разброса не зависит от толщины металла.

7. Исследован энергетический баланс лазерно-кислородной резки металлов при условии минимума шероховатости поверхности реза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для лазерной резки низкоуглеродистой стали с кислородом, в качестве вспомогательного газа, экспериментально исследована зависимость шероховатости поверхности от параметров резки при толщине листов 5-25 мм.

1. Установлено, что минимум шероховатости поверхности достигается в том случае, если во всем диапазоне толщин остаются постоянными величина лазерной энергии, приходящейся на единицу объема удаляемого материала, и мощность на единицу толщины листа. Этому условию соответствует постоянное значение числа Пекле 0,5-0,6.

2. Найдена также зависимость ширины реза от толщины разрезаемого листа в условиях минимума шероховатости. Она имеет вид ¿ = 0,35 + 0,02?. Это позволило выразить результаты экспериментов в виде соотношений, связываю-, щих рабочее параметры: мощность излучения, скорость резки и толщину листа, при которых шероховатость минимальна для заданной толщины.

3. Экспериментально установлено, что потоки энергии, входящие в энергетический баланс при лазерной резке стали (АЖ — поглощенная мощность излучения лазера; }¥¥с —мощность, выделяющаяся в результате экзотермической реакции окисления железа; Жт — мощность, затрачиваемая на плавление металла в зоне реза; ЖсопА — мощность, теряемая из зоны реза за счет теплопроводности в окружающий метал), отнесенные к единице толщины листа, не зависят от г.

4. Показано, что входящие в энергетический баланс удельные потоки мощности (АЖ/t ,Ж?e/t ,Жcond/t и ЖтЬ) для толщин 5, 10 и 16 мм имеют близкие значения. Экспериментальный разброс этих величин лежит в интервале 130-170 Вт/мм.

1. Steen W. М. Laser Material Processing. L.: Springer Verlag, 1991.

2. Ready J.F., Farson D.F. LIA Handbook of Laser Materials Processing. Laser Institute of America. 2001.

3. Dahotre N.B., Harimkar S.P. Laser Fabrication and Machining of Materials. Springer, New York, 2008.

4. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. М.: Изд. МГТУ им Н.Э. Баумана, 2008.

5. O'Neill W. and Gabzdyl J.T. New developments in laser-assisted oxygen cutting // Optics and Lasers in Engineering. 2000. V. 34, P. 355-367.

6. Зайцев A.B., Ковалев О.Б., Маликов А.Г., Оришич A.M., Шулятьев В.Б. Лазерная резка толстых стальных листов при использовании сверзвуковой струи кислорода//Квантовая электроника. 2007. Т. 37. №9. С. 891-892.

7. Mahrle A., Beyer Е. Theoretical aspects of fibre laser cutting // J. Phys. D: Appl. Phys.,42, 175507. P. 9.

8. Petring D., Schneider F., Wolf N., Nazery V. // 27th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics: Proceedings. Temecula, CA, USA, 2008. P. 95-103.

9. Powell J., Petring D., Kumar R.V., Al-Mashikhi S.O., Kaplan A.F.H., Voisey K.T. J.Phys. D: AppLPhys., 42, 015504, 2009.

10. Poprave R, Weber H., Herziger G. Laser Physics and Applications. Subvolume C: Laser Applications. Berlin: Springer-Verlag, 2004.

11. Голубев B.C. В сб. Современные лазерно-информационные и лазерные технологии: Сборник трудов ИПЛИТ РАН (М.:Интерконтакт Наука, 2005, с. 209).

12. Sullivan A.B.J., Houldcroft Р.Т. Gas-jet laser cutting // British Welding Journal. 1967, V. 14, No 8, P. 443-445.

13. Powell J. LIA Guide to Laser cutting // Orlando: Laser Institute ofAmerica, 2008.

14. Бабенко В. П., Тычинский В. П. Газолазерная резка материалов // Квантовая электроника. 1972. № 5(11). С. 3-21.

15. Miyamoto I., Maruo Н. Mechanism of Laser cutting // Osaka: Osaka Univ. Dep. Weld, and Prod. Eng. 1988, P. 1-21.

16. Black I. A. Comparison of Severance Energies for Reactive C02 Laser Cutting of Mild Steel // International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 1999. 15. P. 832-834.

17. Schulz W., Hertzler C. Cutting: modeling and data // In: Laser Physics and Applications. Subvolume C: Laser Applications. Editors: R. Poprawe, H. Weber, G. Herziger. Springer-Verlag, Berlin, 2004. P. 187-218.

18. Li Y., Latham W.P., Kar A. Optics and Lasers in Engineering, 35,371 (2001).

19. Prusa J.M., Venkitachalam G., Molian P.A. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 39,431 (1999).

20. Steen W. Laser Material Processing L: Springer-Verlag, 2003.

21. Gross M.S., Black I., Muller W.H. Computer simulation of the processing of engineering materials with lasers—theory and first applications // J. Phys. D: Appl. Phys. 2003, 36. P. 929-938.

22. Gross M.S., Black I., Muller W.H. Determination of the lower complexity limit for laser cut quality modeling // Modeling and Simulation in Materials Science and Engineering 12: 2004. P. 1237-1249.

23. Markus S. Gross On gas dynamic effects in the modeling of laser cutting processes // Applied Mathematical Modeling, 2006. V. 30, 4, P. 307-318.

24. Rajaram N., Sheikh-Ahmad J., Cheraghi S. H. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 43, 351 (2003).

25. Афонин Ю.В., Голышев А.П., Иванченко А.И, Малов А.Н., Оришич A.M., Пе-чурин В.А., Филев В.Ф., Шулятьев В.Б. Генерация излучения с качеством ТЕМоо моды в непрерывном С02-лазере мощностью 8 кВт // Квантовая электроника. 2004- Т. 31, No 4. С. 307-310.

26. Маликов А. Г., Оришич A.M., Шулятьев В.Б. Резка металлов излучением С02-лазера с самофильтрующим резонатором // Квантовая электроника. 2009. • Т. 39. №6. С. 547-551.

27. Характеристики лазеров Trumpf, http://us.trumpf.com.

28. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения (М., Наука, 1979).

29. Habich U., Loosen P., Hertzler С., Wollermann R. // Windgasse. 2702, 374 (1996).

30. Willets D.V., Harris I.R. // ШЕЕ J. Quant Electron, 24, 849 (1988).

31. Snell K.J., McCarthy N., Piche M., Lavigne P. // Optics comms, 65, 377 (1988).

32. De Silvestri S., Laporta P., Magni V., Svelto O. // Opt. lett, 13, 201 (1988).

33. Sona P., Muys P., Sherman C., Leys Ch. // Opt.lett, 15,1452 (1990).

34. Generalov N.A., Gorbulenko M.I., Solov'yov N.G., Yakimov M.Yu., Zimakov V.P. // In: W.J. Witteman, V.N. Ochkin. Gas Lasers Recent Developments and Future Prospects. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1996, P. 323-341.

35. De Silvestri S., Laporta P., Magni V. J. // Opt. Soc. Am. A, 4, 143 (1987).

36. Yasui K., Tanaka S., Yagi S. //Appl. Phys. Lett., 52,' 530 (1988).

37. Takenaka. Y., Nishimae J-i., Tanaka M. // Optics Letters, 22, 37 (1997).

38. Михеев П.А., Николаев В.Д., Шепеленко А.А. // Квант, электроника, 12, 456 (1992).

39. Технические данные лазеров Rofin-Sinar, http://www.rofin.com/home.

40. Galushkin M.G., Golubev V.S., Korotchenko A.V., Zabelin A.M. Proc. SPIE, 3092, 134 (1996).

41. Gobbi P.G., Reali G.C. // Opt. comms, 52, 195 (1984).

42. Golishev A.P., Ivanchenko A.I, Orishich A.M., Shulyat'ev V.B. // Proc. SPIE, 4184, 414 (2001).

43. Грачёв Г.Н., Иванченко А.И., Смирнов А.Л., Шулятьев В.Б. // Квант, электроника, 18, 131 (1991).

44. Технологические лазеры. Справочник. Ред. Г.А. Абильсиитов. М., Машиностроение, 1991, Т. I.

45. Takhasaki Т., Kakisaki К., Sasaki N., Sakuma J. //Proc. SPIE, 610, P. 50 (1986).

46. Poprave R, Weber H., Herziger G. // Laser Physics and Applications. Subvolume C: Laser Applications (Berlin: Springer-Verlag, 2004).

47. Poprawe R., Loosen P., Hoffman H. // Proc. SPIE, 6346, 634602-1 (2006).

48. Beyer E., Brenner В., Morgenthal L. // Proc. SPIE, 6346, 63460U-1 (2006).

49. Himmer Т., Morgenthal L, Beyer E. // In Proc. ICALEO 2007.

50. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. (М.: Машиностроение. В 3-х т. 2001.)

51. Богданов В.Н., Малежик И.Ф., Верхола А.П. и др. Справочное руководство по черчению. М.: Машиностроение., 1989.

52. Manohar М. СО? laser beam cutting of steels: Materials issues // Journal of laser applications. 2005. V. 18. N2. P. 101-112.

53. Manohar M., Bodnar R.L., Asfahani R.I., Chen N. and Huang C. Effect of steel composition on the laser cutting behavior of 25-mm thick plates // Journal of laser applications. 2005. V. 17. N4. P. 211-218.

54. Joardar A. and Tsai H.L. Striation phenomena in oxygen-assisted cutting of steels NSF Workshop on Unsolved Problems and Research Needs in Thermal Aspects of Material Removal Processes. 2003. Stillwater. OK.

55. Ivarson A., Powell J., Kamalu J., and Magnusson C. The oxidation dynamics of laser cutting of mild steel and the generation of striations on the cut edge II Journal of Materials Processing Technology. 1994. V. 40. P. 359-374.

56. Chen K., Yao Y. L. and Modi V. Numerical simulation of oxidation effect in the laser cutting process // The International Journal of Advanced Manufacturing and Technology. 1999. Y. 15. P. 835-842.

57. Kovalev O.B., Yudin P.V. and. Zaitsev A.V. Formation of a vortex flow at the laser cutting of sheet metal with low pressure of assisting gas // J. Phys. D: Appl. Phys. 2008. V. 41. 155112 P. 8.

58. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964, С. 262.

59. Лойцанский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1978, С. 382.

60. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1967, С. 428.66. http://prclaser.com/calculator.html

61. Ермолаев Г.В. Теоретическое и экспериментальное моделирование влияния окисления на эффективность кислородной газолазерной резки металла // Автореферат канд. дис. Новосибирск, 2010.

62. Caristan L. Laser Cutting Guide for Manufacturing // Society of Manufacturing Engineers. Dearborn, Michigan, 2004. P. 447.

63. Юдин П.В. Экспериментальное моделирование' динамики струйных течений газа и механизмов удаления расплава при газолазерной резке металлов металла // Автореферат канд. дис. Новосибирск, 2010.

64. Бабичев А.П., Бабушкин-Н.А., Братковский A.M. и др. Физический-справочник. // Под редакцией Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. М.: Энергоатомиздат, 1991, С. 1232.

65. Dowden J. The Theory of Laser Materials Processing. // Jointly published with Ca-nopus Publishing Limited, Bristol, UK, 2009 P. 446,

66. Голубев B.C. В сб. Современные лазерно-информационные и лазерные технологам // Сборник трудов ИПЛИТ РАН М.гИнтерконтакт Наука, 2005, С. 209.

67. Маликов А.Г., Оришич A.M., Шулятьев В.Б. Экспериментальная оптимизация газолазерной резки толстых стальных листов // Квантовая электроника. 2009. Т. 39. № 6. С. 547-551.

68. Базылева И.О., Галушкин М.Г., Голубев B.C., Дубровина У.А., Карасев В.А. Термические потери в процессе газолазерной резки металлов // Сб. трудов ИПЛИТ РАН. Интерконтакт Наука, 2005. С. 221-227.

69. Зайцев А.В. Численные исследования влияния характеристик излучения и струйных течений газа на качество поверхности в технологиях газолазерной резки толстолистовых металлов// Автореферат канд. дис. Новосибирск, 2007.

70. Schulz W., Becker В., Franke J. Heat conduction losses in laser cutting of metals // J. Phys. DAAppl. Phys, 26, 1993. P. 1357-1363.

71. Абрамович Г.Н. Прикладная.газовая динамика. М.: Наука, 1969. С. 333.

72. Lamikiz A., Lopez de Lacalle L.N., Sanchez J.A., del Pozo D., Etayo J.M., Lopez J.M. C02 laser cutting of advanced high strength steels (AHSS) // Applied Surface Science 242, 2005. P. 362-368.

73. Rajaram N., Sheikh-Ahmad J. and Hossein Cheraghi S. Parametric Study of the Effect of Feed Speed and Power on Laser Cut Quality of 4130 Steel.

74. Dilthey U., Faerber M., Weick J. Laser cutting of steel-cut quality dependingon cutting parameter. //Препринт Международного Института Сварки(IlW-doc.ie 115-91).

75. Lepore M., Dell'Erba M., Esposito С. and Daurelio G. Cingolani A. An investigation of the laser cutting process with the aid of a plane polarized C02 laser beam // Optics and Lasers in Engineering Volume 4, Issue 4 , 1983. P. 241-251.

76. Михеев M:A., Михеева ИМ. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. С. 344.

77. Баскаков А.П., Б.В. Берг, Витт O.K. и др. Теплотехника. М.: Энергоатомиздат, 1991. С. 224.

78. Основное содержание диссертации отражено в следующих работах. Входящие в перечень ВАК:

79. Маликов А.Г., Оришич A.M., Шулятьев В.Б. Экспериментальная оптимизация газолазерной резки толстых стальных листов // Квантовая электроника. 2009.* Т. 39. №6. С. 547-551.

80. Фомин В.М., Маликов А.Г., Оришич А.М., Шулятьев В.Б. О законах подобия, газолазерной резки толстых стальных листов // Доклады академии наук. 2009. Т. 428. № 3. С. 325-329.

81. Фомин В.М., Маликов А.Г., Оришич A.M., Шулятьев В.Б. Энергетические условия газолазерной резки толстых стальных листов // Прикладная механика и техническая физика. 2010. (принята в печать.)

82. Фомин В.М., Маликов А.Г., Оришич А.М:, Шулятьев В.Б. Подобие тепловых потоков при лазерно-кислородной резке стали // Доклады академии наук. 2011. Т. 436. № 2. С. 1—4 (принята в печать).1. Патент

83. Патент РФ № 2350445. Способ резки толстых металлических листов. Оришич A.M., Фомин В.М., Шулятьев В.Б., Ермолаев Г.В., Зайцев А.В., Ковалев О.Б., Маликов А.Г., Юдин П.В. Дата публикации 27.03.2009. Бюл. № 9. Публикации,по теме диссертации:

84. Malikov A.G., Orishich A.M., Shulyatyev V.B. Scaling laws for the laser-oxygen cutting of thick-sheet mild steel // International Journal of Machine Tools and Manufacturing. 2009. V. 49. No. 14. P. 1152-1154.

85. Orishich A.M., Shulyatyev V.B.,,Malikov A.G. Scaling Laws for the Reactive-Gas Laser Cutting of Thick Steel Sheets // 28th International Congress on-Applications of Lasers & Electro-Optics: Proceedings. Orlando, FL, USA, 2009. P. 276-280.

86. Orishich A.M., Shulyatyev V. В., Malikov A.G. Experimental search of scaling laws for laser-oxygen cutting of mild steel based on similarity criteria // VI Int. Symposium* Laser Technologies and Lasers: Abstract. Smolyan, Bulgaria, 2009. P. 15.

87. Malikov A.G., Orishich А.М., Shuljatyev V.B. Energy conditions of gas-laser cutting of thick steel sheets // International Conference on Methods of Aerophysical Research: Abstr. Pt I. / Ed. V.M. Vomin. Novosibirsk: Parallel, 2010. P. 171-172.