Экспериментальное моделирование динамики струйных течений газа и механизмов удаления расплава при газолазерной резке металлов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Юдин Петр Владимирович 0034В 1Т43

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ СТРУЙНЫХ ТЕЧЕНИЙ ГАЗА И МЕХАНИЗМОВ УДАЛЕНИЯ РАСПЛАВА ПРИ ГАЗОЛАЗЕРНОЙ РЕЗКЕ МЕТАЛЛОВ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

' ?

Новосибирск - 2009

003461743

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

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Ковалев Олег Борисович;

кандидат технических наук Петров Александр Павлович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Гладуш Геннадий Григорьевич

доктор технических наук Запрягаев Валерий Иванович

Ведущая организация:

Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН

Зашита состоится "¿2' февраля 2009 г. в " 1гдСс" часов на заседании диссертационного совета Д 003.035.02 в Учреждении Российской академии наук Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, Институтская 4/1, ИТПМ СО РАН.

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

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

С появлением все более мощных промышленных лазеров и разработкой на их основе лазерных технологических комплексов для раскроя толстолистовых материалов возникает необходимость в теоретических и экспериментальных исследованиях. При лазерной резке металл локально плавится сфокусированным излучением, а струя вспомогательного газа удаляет расплав сквозь образующийся разрез. Сложность физической картины явлений, а также потребности практики постоянно поддерживают высокую активность связанных с этим научных исследований. В последнее время широко проводятся исследования направленные на увеличение скорости резки и толщины металла (до 25-30 мм и выше), при условии сохранения необходимого качества поверхности деталей.

Качество лазерной резки характеризуется шириной реза, степенью перпендикулярности боковых поверхностей к плоскости листа, их шероховатостью, наличием или отсутствием грата (затвердевших капель расплава с обратной стороны листа) и зависит от большого количества физических параметров, главными из которых являются свойства материала, характеристики излучения, скорость резки и параметры газовой струи. Влияние параметров излучения и газового потока на скорость и качество лазерной резки металлов недостаточно изучено. Струйные течения вспомогательного газа, ответственные за удаление расплава, порождают неустойчивость и связанные с ней дефекты реза (шероховатость и грат). Несмотря на имеющиеся успехи в применении лазеров для резки металлов, до сих пор недостаточно исследованы процессы удаления расплава из разреза. В частности слабо изучены механизмы образования шероховатости, которая имеет бороздчатую структуру. Регистрация процессов в натурных условиях ограничена из-за непрозрачности стенок реза, наличия высокой температуры и отраженного излучения.

Исследования процессов лазерной обработки металлов, в том числе и лазерной резки, получили развитие в работах A.A. Веденова, Г.Г. Гладуша, H.H. Рыкалина, B.C. Голубева, А.Г. Григорьянца, Н. К. Макашова, В.Г. Низьева, J. Powell, W.M. Steen, A.A. Kaplan, A.V. La Rocca, K. Minamida, J. Duan, H.C. Man, K. Chen,W. O'Neill, J.T. Gabzdyl и многих других. К настоящему времени уже создана общая теория взаимодействия лазерного излучения с металлами, построены аналитические модели ряда задач лазерной обработки, предложены качественные теории образования шероховатости и грата, проведен аналитический и численный анализ устойчивости движения пленки расплава и течений вспомогательного газа в плоском и осесимметричном приближениях и т.д.

Однако общая ситуация такова, что нет достоверных сведений о процессах и механизмах, протекающих непосредственно внутри узкого канала при лазерной резке и нет развитых методов их диагностики. В результате, известные на сегодняшний день модели образования бороздчатой шероховатости и грата существуют только в форме гипотез и часто противоречат друг другу. В связи с этим становится актуальным физическое моделирование в лабораторных условиях, где возможна визуализация процессов протекающих внутри реза.

Цель работы

Исследование физических процессов, протекающих внутри лазерного разреза на модельной установке, с применением методов визуализации.

Задачи

1. Исследование струйных течений вспомогательных и рабочих газов для обеспечения хорошей продуваемости лазерного реза и эффективного удаления расплавленного металла.

2. Моделирование лазерной резки с использованием легкоплавких материалов. Визуализация механизмов удаления расплава и образования шероховатости.

3. Разработка практических рекомендаций по управлению параметрами резки для повышения качества деталей и эффективности резки на автоматизированном лазерном технологическом комплексе.

Научная новизна

Новыми научными результатами диссертационной работы являются:

1. Явление отрыва газового потока на гладкой поверхности, который обнаружен в модельном узком канале при втекании сверхзвуковой струи, что позволило дать объяснение изменению структуры бороздчатой шероховатости при газолазерной резке металлов в натурных условиях с инертными или нейтральными вспомогательными газами.

2. Обнаружение вихревого течения при дозвуковом втекании струи газа в канал модельного реза и объяснение механизма зашлаковывания нижней части кромки реза, которое возникает в натурных условиях при газолазерной резке с кислородом.

3. Предложенные режимы работы двойного коаксиального сопла, которые позволили избавиться от нежелательного вихреобразования в нижней части канала и получить повышение качества поверхности и скорости процесса при кислородной газолазерной резки образцов малоуглеродистой стали.

4. Результаты модельных экспериментов, позволяющих с использованием легкоплавких материалов проводить визуализацию явлений внутри лазерного реза.

5. Интерпретация физических механизмов удаления расплава из канала лазерного реза. Обнаружено, что пленка расплава внутри канала разрушается на капли. Определены механизмы формирования шероховатости, которые имеют капельную и пленочную природу

Практическая значимость

На основе проведенных исследований сформулированы практические рекомендации, которые позволили улучшить качество поверхности реза. Режимы, отработаные с двойным коаксиальным соплом на модельной установке, позволили на 20 % повысить скорость резки толстых (15 - 20 мм) листов малоуглеродистой стали. С использованием результатов визуализации удалось технически реализовать кислородную резку с поддержкой лазерным лучом толстолистовых металлов толщиной от 30 до 50 мм. Результаты исследования по устранению отрыва потока также могут быть использованы на промышленных установках, что позволит существенно повысить эффективность лазерной резки толстых листовых материалов с инертным газом.

Достоверность результатов

Особенности газодинамических течений, наблюдаемые в модельных экспериментах, получены независимо различными методами визуализации. Проводилось сравнение результатов лабораторного моделирования с расчетами и натурными экспериментами других авторов. При проведении экспериментов на легкоплавком сплаве оценивались и соблюдались условия физического подобия процессов по критериям Рейнольдса, Прандтля, Стефана и Вебера. Поверхности образцов, полученные в модельном и натурном экспериментах, обнаруживают определенную степень сходства, что также подтверждает достоверность выводов, сделанных по результатам работы.

На защиту выносятся постановки задач, применяемые методы экспериментального моделирования и визуализации процессов, результаты экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, предлагаемые математические модели. К числу главных защищаемых результатов можно отнести следующие.

- Постановку модельных экспериментов с визуализацией потока газа в каналах, геометрически подобных лазерным резам. Выбор, адаптация, и развитие методов визуализации.

- Результаты экспериментального моделирования сверхзвуковых и дозвуковых струйных течений газа, их анализ, и практические рекомендации.

- Метод экспериментального моделирования лазерной резки с использованием легкоплавких материалов. Анализ критериев подобия происходящих процессов.

- Предложенные объяснения механизмов удаления расплава и образования шероховатости, зарегистрированные в модельном эксперименте. Математические оценки и модели этих механизмов.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах академика В.М. Фомина в Учреждении Российской академии наук Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, а также на различных российских и международных конференциях:

- IX Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, Красноярск, 2003;

- XLI Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс». Новосибирск, 2003.

- XII, XIII и XIV Международная конференция по методам аэрофизических исследований (ICMAR), Новосибирск, 2004, 2007, 2008;

- Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов -2005», Москва, 2005;

- XXVII Международный конгресс по скоростной фотографии и фотонике (27Ih HSPP), Сиань, Китай, 2006;

- IX Международная конференция по лазерам и лазерно-информационным технологиям (ILLA 9th), Смолян, Болгария, 2006;

- Всероссийская конференция «Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва», Новосибирск, 2007;

- XXVI, XXVII Международная конференция по применению лазеров и электрооптических устройств (26'\ 27th ICALEO), США, Орландо, 2007; Темекула, 2008.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 3 статьях в рецензируемых журналах и 14 материалах всероссийских и международных конференций.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 131 странице, содержит 50 рисунков и библиографию из 111 наименований.

Личный вклад автора

При выполнении работ по теме диссертации диссертант принимал активное участие в постановке задач, обсуждении результатов, подготовке печатных работ и докладов на конференциях. Основные результаты диссертации получены при непосредственном участии автора. Им разработаны

лабораторные модельные установки, на корорых реализованы методы визуализации. Результаты совместных работ представлены в диссертации с согласия соавторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели, перечислены результаты, определяющие научную новизну, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Анализ физических процессов, сопровождающих лазерную резку металлов, методы их экспериментального моделирования и регистрации

Представлено описание взаимосвязанных физических процессов и явлений, сопровождающих лазерную резку металлов, обсуждаются проблемы ее практической реализации на автоматизированном лазерном технологическом комплексе (АЛТК). Представлен анализ известных способов газолазерной резки металлов, изложены основные технические достижения, полученные в этой области на сегодняшний день. Дан обзор литературы и анализ существующих в мире исследований по теме диссертации. Обсуждаются проблемы, которые возникают при переходе к резке толстых листов металла. На основе простейших законов сохранения приводятся оценки физических параметров процессов, представлены безразмерные комплексы, характеризующие лазерную резку металлов, сформулированы причины, которые могут привести к ухудшению качества поверхности реза.

Из анализа следует, что с увеличением толщины разрезаемого материала требуется повышать мощность лазерного излучения, что неизбежно приводит к ухудшению качества лазерной резки. Из-за отсутствия в этой области развитых методов диагностики нет достоверных представлений о процессах, протекающих внутри лазерного реза. Недостаточно изучены механизмы образования шероховатости, которая во многом определяет качество получаемых деталей. Необходим поиск технологических режимов, который предполагает проведение ориентированных экспериментальных и теоретических исследований, направленных на систематизированное изучение взаимосвязанных физических процессов, сопровождающих лазерную резку металлов. Делается вывод об актуальности проведения модельных экспериментов с визуализацией процессов внутри лазерного реза.

Дан анализ известных методов диагностики и визуализации, которые можно использовать для исследования физических процессов, сопровождающих лазерную резку металлов. Качество поверхности реза напрямую связано с характером удаления расплава газовым потоком. Влияние параметров газа на скорость и качество резки особенно толстолистовых металлов и сплавов изучено недостаточно.

Глава 2. Экспериментальные исследования особенностей течения вспомогательного газа в каналах, геометрически подобных лазерному резу

Исследование направлено на изучение особенностей струйных течений газа, которые имеют место при газолазерной резке, с целью установления влияния этих течений на появление дефектов качества поверхности. В первой части главы формулируется постановка задачи и дается описание модельной установки. Для применения оптических методов регистрации предложен модельный канал, геометрически подобный лазерному резу, в котором боковые стенки выполнены из прозрачного материала. Дается обоснование допустимости сделанных упрощений, связанных с отсутствием шероховатости и тепловыделения на стенках канала в модельном эксперименте. Визуализация проводилась широко известным теневым методом, а также с помощью жидких покрытий. Суть метода жидких покрытий сводится к следующему. Жидкость наносится тонким слоем на боковую стенку модельного канала. Газовый поток внутри канала вызывает течение жидкости на стекле в виде тончайших струек, которые соответствуют предельным линиям тока газа. В качестве жидкого покрытия использовался керосин или более вязкий глицерин в зависимости от характера изучаемых течений - дозвуковых или сверхзвуковых соответственно.

Вторая часть посвящена исследованию сверхзвуковых струйных течений газа в плоских и узких каналах. Такие течения характерны для резки нержавеющей стали, титана, и других материалов, разрезаемых на АЛТК с использованием инертного вспомогательного газа. Основной объект исследования здесь - это явление отрыва газового потока от передней стенки канала, которое присутствует в широком диапазоне значений параметров процесса (рис. 1). Показано, что отрыв потока оказывает негативное влияние (рис. 1, б). При резке с инертным газом (рис. 1, в), нижняя часть кромки реза

Рис. 1. Отрыв потока и его влияние на качество поверхности реза. а - шлирен-фотография; 6 - визуализация методом жидких покрытий; в - образец резки нержавеющей стали

окислена и имеет повышенную шероховатость. Объясняется это тем, что в зоне отрыва возникает возвратное течение газа, сопровождающееся подсосом воздуха в канал из окружающей атмосферы, что и приводит к окислению поверхности металла. Шероховатость ниже точки отрыва резко возрастает, так как изменяется силовое воздействие газа на расплав и нарушается его вынос.

Экспериментально с помощью методов визуализации исследовано влияние на отрыв следующих параметров: уровня давления в накопительной камере, конфигурации газодинамического сопла (конического или конфузорно-диффузорного), ширины и длины канала. С увеличением давления в накопительной камере точка отрыва смещается вглубь канала (рис. 2), и при полном ее вытеснении достигается безотрывное течение. За счет применения сверхзвукового сопла удается получить более протяженную безотрывную зону по сравнению с коническим соплом (рис. 2). С увеличением длины канала чувствительность положения точки отрыва к давлению газа и конфигурации

Рис. 2. Положение точки отрыва х в зависимости от давления в ресивере

Размеры канала: длина 10 мм; ширина 0.7 мм

Для случая Р = 12 атм приведены шлирен-фотографии.

р«— коническое сопло | --»—сверхзвуковое сопло

4 6 а 10 12 10

Давление в ресивере Р, атм

4 ' 6 " 8 ' 10 ' 12 ' *14 ' 16*

Давление в ресивере Р. атм

Рис. 3. Положение точки отрыва .V в зависимости от давления в ресивере Р. Размеры канала: длина 20 мм; ширина 0.7 мм (а), 1 мм (б).

сопла снижается (рис. 3, а). Однако при увеличении ширины канала, влияние этих параметров вновь возрастает (рис. 3, б). Влияние геометрии канала на характер струйного течения в нем проиллюстрировано на рис 4. Когда канал сравним по ширине с диаметром сопла, струя воздуха беспрепятственно распространяется на большую глубину, при этом отрыв потока не возникает. Этим объясняется хорошее качество поверхности при кислородной резке толстолистовых металлов с поддержкой лазерным лучом, где ширина реза полностью определяется диаметром струи кислорода. Таким образом, ширина лазерного реза является лимитирующим фактором, сдерживающим переход к резке все более толстых листов металла. Поэтому при резке толстолистовых материалов нужно не только повышать мощность излучения и входное давление рабочего газа, но и увеличивать радиус пучка, чтобы иметь более широкий и хорошо продуваемый лазерный рез. Практическое использование сверхзвуковых газовых сопел при лазерной резке толстолистовых материалов с экономической точки зрения является более предпочтительным.

Рис. 4. Влияние ширины канала на отрыв потока. Давление в накопительной камере 10 атм. Ширина канала 0.7 (а), 1 (б) и 4 (в) мм. Длина канала: 20 (а, б) и 40 (в) мм.

В третьей части главы приведены результаты моделирования дозвуковых газодинамических течений, характерных при кислородной газолазерной резке. Обычно здесь используются низкие рабочие давления активного газа кислорода (до 2 атм в накопительной камере), который подается через коническое сопло. Особенности дозвукового течения, которое при этом формируется в канале, показаны на рис. 5. В нижней части канала обнаружено вихревое течение газа

а

Рис 6. Результаты применения двойного коаксиального сопла.

а, б- Фотографии методом жидких покрытий в канале сечением 0.7x20 мм. Избыточное давление в накопительной камере центрального сопла 0,5 атм; в камере периферийного сопла 0,2 (а) и 0,5 (б) атм. в, г — образцы резки этим же соплом низкоуглеродистой стали толщиной 16 мм, с избыточным давлением в периферийной камере 0,2 (в) и 0,5 (г) атм.

(рис. 5, а). Визуализация проведена с применением жидких покрытий. Причиной образования вихря является область пониженного давления. На рис. 5, б представлено распределение давления газа в канале тех же размеров, которое получено численно A.B. Зайцевым. В натурных условиях вихрь будет накапливать в себе расплав или жидкий окисел, сдерживая его удаление из канала. Этот эффект объясняет факт зашлаковывания нижней кромки реза в натурных экспериментах (рис 5, в). На модельной установке отработаны режимы с двойным коаксиальным соплом (рис. 6). Показано, что удается избавиться от вихря, если в периферийную часть сопла подавать давление, превышающее некоторое пороговое значение. На основе проведенных

—

—

Рис. 5. Результаты применения конического сопла.

Размеры модельного канала 0.7x20 мм. а - визуализация потока газа жидкими покрытиями; б - расчет поля давления, в - образец резки, толщина 16 мм.

исследований сформулированы практические рекомендации, которые позволили улучшить качество образцов и на 20 % повысить скорость резки листовой низкоуглеродистой стали толщиной 15-20 мм., производимой на АЛТК ИТТТМ СО РАН.

Образцы для рисунков 5, в и 6 в,г предоставлены В.Б. Шулятьевым.

Глава 3. Визуализация процессов лазерной резки на модельной установке с использованием легкоплавких материалов

За счет снижения температуры в модельном эксперименте появляется возможность одну из стенок канала реза заменить стеклом и через него наблюдать и регистрировать процессы внутри реза. В первой части главы изложены методы моделирования и скоростной фоторегистрации применительно к указанным процессам. Ставились две серии экспериментов, где в качестве легкоплавких материалов использовались: парафин с температурой плавления 54 °С и сплав Розе, плавящийся при 96 °С. Плавление парафина осуществлялось струей подогретого воздуха, что на первом этапе исследований позволило получить общие представления о процессах плавления, течения и разрушения пленки расплава потоком газа в модельном канале, сравнимом с каналом лазерного реза.

Рис, 7. Схема экспериментальной установки, резка сплава Розе излучением пониженной мощности. а - вид сбоку, б - вид спереди.

Эксперимент, более приближенный к реальному, поставлен при резке металлического сплава Розе излучением пониженной мощности. Схема эксперимента представлена на рис. 7. Слой сплава Розе, напаянный на медную основу, помещается вплотную к стеклянному бруску. Луч фокусируется на металл вблизи стекла, и резка осуществляется вдоль границы раздела металла со стеклом. Скоростной кинокамерой через стекло регистрируются процессы

инфракрасное излучение СО; лазера

удаления расплава и образования шероховатости, которая формируется на металлической стенке. Согласно проведенному анализу критериев подобия, безразмерные комплексы, такие как числа Рейнольдса, Пекле, Стефана, Вебера, близки для сплава Розе и для нержавеющей стали, что свидетельствует о подобии происходящих процессов. Парафин по своим свойствам значительно отличается от металлов, поэтому в эксперементах на парафине можно говорить лишь об аналогии происходящих процессов с реальными, наблюдающимися на натурной установке.

Во второй части излагаются результаты моделирования с использованием парафина. Схема эксперимента аналогична представленной на рис. 7. Слой парафина помещался в плоский канал шириной 1 мм между стеклянными брусками, прозрачными для наблюдения. Плавление парафина в такой щели и его удаление производилось с помощью струи разогретого воздуха, которая перемещалась вдоль щели с некоторой постоянной скоростью. Основная часть исследования посвящена изучению поведения пленки расплава парафина, стекающей по фронту реза. Показано, что с увеличением давления воздуха в предсопловом объеме на поверхности пленки сначала появляются волны, а I затем пленка начинает разрушаться на капли. Наблюдались два механизма разрушения. Первый - связан с распадом на капли жидких нитей, которые по инерции срываются с появляющихся уступов на фронте плавления. Второй механизм реализуется когда увеличивается скорость перемещения струи воздуха, разрушение протекает в режиме распыления. Приведены физико-математические модели этих механизмов и предложены алгоритмы вычисления диаметра образующихся капель. Необходимо отметить, что когда пленка парафина начинает затвердевать при уменьшении температуры струи, то на поверхности стекла формируется бороздчатая структура, подобная шероховатости образцов полученных при лазерной резке, а на нижней кромке стекла появляются образования напоминающие грат (рис. 8). Тот факт, что бороздчатая структура и грат получены без участия лазерного излучения, свидетельствует о гидрогазодинамической природе этих дефектов качества.

Рис 8. Поверхность стекла с нанесенной структурой парафина при эксперименте со струей пониженной температуры (а) и фрагмент этой поверхности в увеличенном масштабе (б).

Третья часть главы посвящена моделированию и визуализации процесса резки металлического сплава Розе излучением пониженной мощности. Обнаружено, что кристаллизация расплава на металлической поверхности происходит с образованием шероховатости, которая возникает на некотором расстоянии от фронта реза, превышающем диаметр лазерного пучка (рис. 9). Наблюдались различные режимы удаления расплава в зависимости от скорости резки и динамики вспомогательного газа. Предложены два механизма образования шероховатости, которые отличаются характером переноса расплава в зону кристаллизации. Первый - капельный механизм продемонстрирован на рис. 10. Расплав течёт в виде ривулета (валика), который может разрушаться на капли. В месте наиболее вероятного попадания капель на стенку начинает расти штрих шероховатости сверху вниз. Исток ривулета периодически перескакивает ближе к фронту реза, и на месте старого истока начинает расти следующий штрих шероховатости. Необходимое условие капельного механизма - капля должна взаимодействовать с застывшей (или застывающей) поверхностью. В случае, когда ширина пленки расплава.

Сопло

Лазерный пучок

Фронт плавления

Поток расплава

Застывшая поверхность

Зона кристаллизации

Капли

удаленного

расплава

Рис. 9. Иллюстрация процессов внутри реза, на фоне кадра видеосъемки, растянутого в 2 раза по горизонтали

Рис 10. Лазерная резка сплава Розе. Скорость резки - 4,2 мм/с. Толщина материала 20 мм, частота съемки 5 кГц.

1 - область последующих четырех кадров. 2 - капля, перескакивающая с правого штриха на левый, 3 - левый штрих неподвижен (твердая фаза), 4 - правый штрих движется (жидкая фаза).

стекающей по боковой стенке, больше характерной длины пролета капель (например, при увеличении скорости резки), преобладает пленочный режим образования шероховатости. В таком режиме капли поглашаются пленкой, и дальнейшее удаление расплава происходит в виде пленки. Шероховатость формируется при флуктуациях ширины пленки. Возникший прилив расплава накрывает твердую поверхность, теплообмен с которой приводит к затвердеванию. В работе рассмотрен механизм образования штрихов при модуляции мощности лазера на частоте 300 Гц. Проводятся параллели с результатами 2-й главы. При наличии отрыва потока газа возникают дополнительные эффекты, вызванные вихрем в отрывной зоне. Резкое увеличение шероховатости связано с тем, что вихрь удерживает расплав, нарушая его удаление (рис. 11). Вся область вихря оказывается заполнена каплями расплава, которые, во-первых, препятствуют распространению лазерного луча в нижнюю часть канала (собственное свечение материала на рис. 11, в свидетельствует о высокой температуре расплава), во-вторых, прилипают к стенкам, увеличивая шероховатость. В результате на высоте положения точки отрыва появляется ярко выраженная полоса, ниже которой шероховатость резко увеличивается (рис. 11, г). Наличие на некоторых образцах, получаемых на АЛТК, нескольких горизонтальных полос может быть объяснено многократным отрывом - присоединением потока. Экспериментально зарегистрированы режимы с двумя вихрями внутри канала, при этом образующаяся шероховатость имела три яруса.

I

I

Точка отрыва '

Рис 11. Удаление расплава при отрывном т< Давление в накопительной камере 1 МПа а - визуализация газового потока, шлирен фотография, б - линии тока газа (расчет Зайцева A.B.) в - кадр видеосъемки резки сплава розе с импульсным освещением, длительность экспозиции 20 мс, длительность вспышки 1 мкс

г - Образец шероховатости (полученный на ютурной установке Шулятьевым В.Б.)

В четвертой части приводятся физико-математические модели образования шероховатости при кристаллизации расплава. Для оценки скорости роста высот шероховатости эта величина сопоставляется со скоростью распространения волны кристаллизации при затвердевании расплава на поверхности боковой стенки. На основе упрощенного решения уравнения теплопроводности вычисляется распледеление температуры вблизи поверхности стенки. Рассмотрим сечение канала горизонтальной плоскостью (рис. 12). Выделяется полуограниченный стержень материала. В пренебрежении потоками тепла в

1 | - расплав

Рис. 12. Схема модели для расчета поля температуры в стенке образца

направлениях х и г ооковая поверхность стержня считается теплоизолированной. Началом отсчета времени считается вхождение стержня

дТ , дТ

во зону 2. Записывается одномерное уравнение теплопроводности рс—~ = л—

д( ду

с начальным условием Т\(__а12ус=7,¡¡, и граничным условием Т(у,0) = Тт.

Здесь р, с, Т, X - плотность, теплоемкость, температура и теплопроводность расплава; Т0 = 20 °С - комнатная температура, Тт = 96 °С - температура плавления, й = 1мм - ширина реза, Ус = 5 мм/с - скорость резки. Вычисляется

тепловой поток д0 = (Тт -Т0)

ЛсрУс

на границе зон 2 и 3, где, согласно

\71{1 + С112)

модели, и образуется штрих шероховатости, ¿-протяженность второй зоны. Высота шероховатости вычисляется по формуле рНтус — доТ, где Нт -энтальпия кристаллизации; Т = Ь/УС- время образования штриха, Ь - его ширина. Если в конечную формулу для высоты штриха .(Тт~Т0)

Ус=Ь-

Лс

подставить характерные величины Ь = 400 мкм,

95

Нт ^лУср(1 + с1/ 2) I = I мм, измеренные в эксперименте, и параметры сплава Розе, получим ус мкм, что согласуется с данными, полученными в эксперименте.

Построена феноменологическая модель влияния продольных вихрей в пограничном слое потока газа на формирование бороздчатой шероховатости. Экспериментально исследовалось поведение жидкой пленки на поверхности,

имеющей волнообразную форму, под воздействием сдвигового потока газа, рис. 13. Обнаружено, что в широком диапазоне скоростей потока газа скорость жидкости имеет составляющую, направленную от впадин к выступам. Такое поведение жидкости объясняется наличием продольных вихрей, возникающих при сдвиговых течениях газа во впадинах (рис. 13). В натурных экспериментах вихри будут способствовать переносу расплава от впадин к выступам, что приведет к увеличению шероховатости при остывании и кристаллизации

Рис.13. Схема расположения продольных вихрей.

а - вид в сечении, б - трехмерная проекция. Сверху показаны предельные линии тока.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Развиты методы визуализации в применении к диагностике процессов, сопровождающих лазерную резку металлов. Впервые применялся метод жидких покрытий для визуализации течений газа в каналах, геометрически сравнимых с каналами лазерных резов.

2. Обнаружено явление отрыва потока газа от фронта модельного реза в нижней его части. Дано объяснение причин ухудшения в натурных условиях качества поверхности лазерного реза, которые связаны с возникновением отрывного течения газа в узком канале. Предложены способы устранения отрыва за счет изменения ширины канала, давления газа в камере и конфигурации сопла.

3. Обнаружено образование вихревого течения газа при выходе из канала, которое является причиной зашлаковывания нижней кромки реза или образования грата в натурных условиях при лазерной резке с кислородом. Методами моделирования и визуализации определены режимы работы двойного коаксиального сопла, позволяющие избавиться от вихря.

4. Разработана модельная установка, позволяющая проводить визуализацию процессов, протекающих при лазерной резке легкоплавкого материала. Впервые показано, что штрихи шероховатости образуются на

расплава.

определенном расстоянии от фронта реза как результат кристаллизации пленки расплава без прямого участия лазерного излучения.

5. Определены механизмы и предложены интегрально-аналитические модели удаления расплава из разреза с учетом образования борозд шероховатости, которые связаны с наличием волн на поверхности расплава, и периодических циклов растекания и кристаллизации жидкого слоя металла.

6. Даны практические рекомендации, позволившие улучшить качество лазерной резки металлов на АЛТК, а именно, с использованием двойного коаксиального сопла скорость резки толстых (15, 20 мм) листов малоуглеродистой стали повышена на 20 %, удалось технически реализовать кислородную резку с поддержкой лазерным лучом и перейти к резке более толстых листовых металлов толщиной от 30 до 50 мм.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Ковалев О.Б., ОришичА.М., Петров А.П., Фомин В.М., Юдин П.В., Малов А.Н., Ермолаев Г.В. Моделирование плавления и разрушения пленки расплава при газолазерной резке металлов // Прикладная механика и техническая физика. 2004. Т. 45, №1, С. 162-172.

2. Ковалев О.Б., Оришич A.M.,Петров А.П., Фомин В.М., Юдин П.В. Образование двухфазной вихревой структуры при воздействии струи воздуха на расплав парафина в узком канале // Доклады Академии Наук. 2007. Т. 414, №6. С. 756-760.

3. Kovalev О.В., Zaitsev A.V., Yudin P.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. Vol. 41. CID. 155112.

4. Юдин П.В. Экспериментальное моделирование процессов газолазерной резки металлов // IX Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых: Сборник тезисов. Красноярск, 2003. С. 423-425.

5. Юдин П.В. Экспериментальное моделирование процессов газолазерной резки металлов // Материалы XLI Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс». Новосибирск, 2003. С. 38.

6. Kovalev О.В., Orishich A.M., Petrov A.P., and Yudin P.V. Experimental modeling gaslaser cutting of materials // Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt IV. Novosibirsk, 2004. P. 189-194.

7. Юдин П. В. Методика визуализации плавления, разрушения и удаления расплава при газолазерной резке материалов // Материалы Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам. «Ломоносов-2005». М: Изд-во Моск. ун-та. 2005. Том 1. С. 190-191.

8. Yudin P.V., Petrov А.Р., Kovalev O.B. Experimental modeling and high-speed photographic studies of gas laser cutting of sheet metal [электронный ресурс] // proceedings of SPIE. 2007. Vol. 6279. CID. 627917. — Режим доступа: http://spie.org/x648.html?productjd=725170

9. Kovalev O.B., Orishich A.M., Petrov A.P., Shulyat'ev V.B., Yuclin P.V. Laser cutting of thick material: physical modeling and process visualization // Intern. Conf. Laser and Laser-Inform. Techn., Fundamental Problems and Applications: Technical Digest. Smo-lyan, Bulgaria, 2006. P. 29.

10. Orishich A.M., Kovalev O.B, Malikov A.G., Shulyat'ev V.B., Zaitsev A.V., Yudin P.V. Aspects of gas dynamics of laser assisted oxygen cutting of carbon steel // Intern. Conf. Laser and Laser-Inform. Techn., Fundamental Problems and Applications: Technical Digest. Smolyan, Bulgaria, 2006. P. 45.

11. Yudin P.V., Orishich A.M., Kovalev O.B., Malikov A.G., Shulyat'ev V.B., Zaitsev A.V. Laser-assisted oxygen cutting of thick steel plates in supersonic flow// Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt V. Novosibirsk, 2007. P. 120-124.

12. Yudin P.V., Kovalev O.B., Fomin V.M., Zaitsev A.V. Computing experiment and optimization of gas-dynamic flows in laser cutting of metal with neutral working gas // Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Proc. Pt V, Novosibirsk, 2007. P. 220-225.

13.3айцев А.В., Ковалев О.Б., Юдин ГТ.В. Моделирование л визуализация процессов взаимодействия струи газа и расплава металла в канале лазерного реза // Тезисы докладов Всероссийской конференции «Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва», посвященной 50-летию Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН. Новосибирск, 2007. С. 84-85.

14. Yudin P.V., Kovalev O.B. Visualization of Events Inside Kerfs During Laser Cutting of Fusible Metal // Intern. Congress on Applications of Lasers and Electro-optics: Proc. Orlando, USA, 2007. P 772-779.

15. Yudin P.V., Zaitsev A. V. Flow separation problem in thick section kerfs. // International Congress on Applications of Lasers and Electro-optics: Techn. Progr. Orlando, USA, 2007. paper 1403

16. Yudin P.V., Kovalev O.B. On the influence of longitudinal vortexes in near-wall gas flow on generation of roughness during laser cutting of metals // Intern. Conf. on the Methods of Aerophys. Research: Abstracts. Pt I. Novosibirsk, 2008. P. 206-207.

17. Orishich A.M., Kovalev O.B., Malikov A.G., Shuliat'ev V.B., Yudin P.V. and Zaitsev A.V. Double-nozzle control of a subsonic gas flow in the conditions of gas-laser cutting // Intern. Congress on Applications of Lasers & Electro-optics: Proc. Temecula, CA, USA, 2008. P. 611-614.

Ответственный за выпуск П.В. Юдин

Подписано в печать 24.12.2008 Формат бумаги 60 х 84/16, Усл. печ. л. 1.0, Уч.-изд. л. 1.0, Тираж 100 экз., Заказ № 3

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

Введение.

Глава 1. Анализ физических процессов, сопровождающих лазерную резку металлов, методы их экспериментального моделирования и 13 регистрации.

1.1. Газолазерная резка металлов: основные технические достижения на сегодняшний день.

1.2. Обзор физических процессов, сопровождающих газолазерную резку листовых материалов, оценка основных параметров.

1.3. Анализ состояния исследований

1.4. Анализ существующих методов диагностики и визуализации, применимых к лазерной резке металлов.

Выводы к главе 1.

Глава 2. Экспериментальные исследования особенностей течения вспомагательного газа в каналах, геометрически подобных 49 лазерному резу.

2.1 Постановка задачи, методика моделирования и визуализации.

2.2 Исследование сверхзвуковых течений в узких каналах применительно к резке с инертным газом.

2.3. Исследование дозвуковых течений в узких каналах применительно к резке с кислородом . 64 Выводы к главе 2.

Глава 3. Визуализация процессов лазерной резки на модельной ; установке, с использованием легкоплавких материалов.

3.1 Модельная установка, анализ критериев подобия.

3.2 Процессы плавления, течения и разрушения пленки расплава парафина в условиях взаимодействия со струей подогретого воздуха 86 внутри плоского канала.

3.3 Визуализация процессов внутри лазерного реза с использованием легкоплавкого сплава Розе.

3.4 Модели образования бороздчатой шероховатости при кристаллизации расплава 110 Выводы к главе 3.

В данной работе исследуются сложные физические процессы, сопровождающие лазерную резку металлов. Основная часть результатов получена методами экспериментального моделирования с визуализацией явлений, протекающих внутри реза. Лазерная резка металлов — это широко распространенная технологическая операция, теоретическому и экспериментальному исследованию которой посвящено большое количество оригинальных статей и монографий. Сложность физической картины явления, а также потребности практики постоянно поддерживают высокую активность исследований в этом направлении. Из всех видов лазерных технологий в машиностроительных отраслях промышленности в настоящее время наибольшее применение нашли технологии лазерной резки металлических и неметаллических материалов. Особенно эффективным оказалось применение лазерной резки в заготовительном производстве. Широкий диапазон толщин и марок разрезаемых материалов, возможность быстро вырезать детали практически любой геометрической сложности, делают эту технологию незаменимой при мелкосерийном производстве.

С появлением все более мощных лазеров и разработкой на их основе лазерных технологических комплексов возникает необходимость в расчетно-экспериментальных исследованиях процессов, сопровождающих лазерную резку. При лазерной резке металл плавится в пределах пятна излучения и удаляется струей вспомогательного газа сквозь образующийся разрез. Качество резки листовых материалов характеризуется шириной реза, степенью перпендикулярности боковых поверхностей к плоскости листа, их шероховатостью, наличием или отсутствием грата (затвердевших капель с тыльной стороны разреза) и зависит от большого количества физических параметров, главными из которых являются свойства материала, характеристики излучения, скорость резки и параметры газовой струи. В настоящее время технологические операции лазерного раскроя хорошо отработаны для случая тонких листовых материалов. С увеличением толщины У разрезаемого листа до 10 мм и более, технологические режимы становятся менее устойчивыми, значительно возрастают такие дефекты качества, как бороздчатая шероховатость и грат. Есть основания предполагать, что это связано с ухудшением продуваемости лазерного реза вспомогательным газом и нарушением эффективного выноса расплава из узкого и глубокого канала. Достоверные сведения и представления о механизмах тех процессов, которые протекают внутри лазерного реза, в настоящее время отсутствуют. Методы диагностики лазерной резки в натурных условиях (на автоматизированном лазерном технологическом комплексе) не развиты из-за непрозрачности стенок реза, наличия высокой температуры и излучения.

Теоретические исследования процессов лазерной обработки, в том числе и лазерной резки материалов, восходят к работам А.А. Веденова, Г.Г. Гладуша, Н.Н. Рыкалина, B.C. Голубева, А.Г. Григорьянца, Н. К. Макашова, В.Г. Низьева, J. 'Powell, W.M. Steen, A.V. La Rocca, A. A. Kaplan, K. Minamida, J. Duan, H.C. Man, K. Chen, Y.L. Yao, W. O'Neill, J.T. Gabzdyl и многих других, в трудах которых создана общая теория взаимодействия излучения с металлами, построены аналитические модели ряда задач, предложены качественные теории образования шероховатости и грата, проведен аналитический и численный анализ устойчивости движения пленки расплава и течений вспомогательного газа в плоском и осесимметричном приближениях и т.д.

Общая ситуация такова, что нет достоверных представлений о тех процессах, которые протекают непосредственно внутри узкого канала при лазерной резке. В результате, известные на сегодняшний день модели образования бороздчатой шероховатости и грата существуют только в форме гипотез и часто противоречат друг другу. В связи с этим высокую актуальность имеют модельные эксперименты, где возможна визуализация процессов, происходящих внутри канала резки.

Цель работы

Исследование физических процессов, протекающих внутри лазерного разреза на модельной установке, с применением методов визуализации. 4

Задачи

1. Исследование струйных течений вспомогательных и рабочих газов для обеспечения хорошей продуваемости лазерного реза и эффективного удаления расплавленного металла.

2. Моделирование лазерной резки с использованием легкоплавких материалов. Визуализация механизмов удаления расплава и образования шероховатости.

3.Разработка практических рекомендаций по управлению параметрами для повышения качества деталей и эффективности резки на автоматизированном лазерном технологическом комплексе.

Научная новизна

Новыми научными результатами диссертационной работы являются:

1. Проведены широкомасштабные модельные эксперименты с визуализацией потоков газа в каналах, подобных лазерному резу. Качественно новые результаты удалось получить с применением метода жидких покрытий.

2. Изучено явление отрыва газового потока от передней стенки канала, исследованы физические механизмы его негативного влияния на качество поверхности образцов, получаемых в результате лазерной резки с инертным вспомагательным газом. Варьированием параметров на модельной установке определены режимы, позволяющие предотвратить или задержать отрыв потока.

3. Внутри канала обнаружено вихревое течение, что позволило объяснить факт зашлаковывания нижней части канала при лазерной резке с кислородом. Методами визуализации найдены режимы работы с двойным коаксиальным соплом, при которых вихрь исчезает.

4. Впервые, с использованием легкоплавких материалов, поставлены модельные эксперименты с визуализацией явлений внутри лазерного реза.

5. Изучены процессы удаления расплава при лазерной резке. Обнаружено, что пленка расплава внутри канала разрушается на капли. Определены механизмы формирования шероховатости, которые имеют капельную и пленочную природу.

Практическая значимость

На основе анализа результатов проведенных исследований сформулированы практические рекомендации, которые позволили улучшить качество поверхности реза. Режимы, отработаные с двойным коаксиальным соплом на модельной установке, позволили на 20 % повысить скорость резки толстых (15, 20 мм) листов малоуглеродистой стали. С использованием результатов визуализации удалось технически реализовать кислородную резку с поддержкой лазерным лучом и перейти к резке более толстых листовых металлов толщиной от 30 до 50 мм. Результаты работы могут быть использованы на промышленных установках, что позволит существенно повысить эффективность лазерной резки толстых листовых материалов.

Достоверность результатов

Особенности газодинамических течений, наблюдаемые в модельных экспериментах, получены независимо различными методами визуализации, а также проводилось сравнение с расчетами и натурными экспериментами. При проведении экспериментов на легкоплавком сплаве в условиях физического подобия соблюдались такие критерии как числа Рейнольдса, Прандтля, Стефана, и Вебера. Поверхности образцов, полученные в модельном и натурном экспериментах, обнаруживают высокую степень сходства. Это обеспечивает достоверность сделанных в работе выводов.

На защиту выносятся все применяемые методы экспериментального моделирования и визуализации, постановки задач, а также результаты, интерпретация полученных данных и математические модели наблюдающихся физических процессов. К числу главных защищаемых результатов следует отнести:

- Постановка модельных экспериментов с визуализацией потока газа в каналах, подобных лазерным резам. Выбор, адаптация и развитие методов визуализации.

- Результаты экспериментального моделирования сверхзвуковых и дозвуковых струйных течений газа в узких каналах, их анализ, а также сформулированные выводы и практические рекомендации.

Методы экспериментального моделирования лазерной резки с использованием легкоплавких материалов. Анализ критериев подобия происходящих процессов.

Механизмы удаления расплава и образования шероховатости, зарегистрированные в модельном эксперименте. Математические оценки и модели этих механизмов.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах академика В.М. Фомина в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН, а также на различных российских и международных конференциях:

- IX Всероссийская Научная Конференция Студентов-Физиков и молодых ученых, Красноярск, 2003;

- XLI Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс». Новосибирск, 2003.

- IV, XII и XIII Международная конференция по методам аэрофизических исследований (ICMAR), Новосибирск, 2004, 2007,2008;

- Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов -2005», Москва, 2005;

- XXVII Международный конгресс по скоростной фотографии и фотонике (27th HSPP). Сиань, Китай, 2006;

- IX Международная конференция по лазерам и лазерно-информационным технологиям (ICLLIT 9th), Смолян, Болгария, 2006;

- Всероссийская конференция «Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва», Новосибирск, 2007;

- XXVI, XXVII Международная конференция по применению лазеров и th th электро-оптических устройств (26 ,27 ICALEO). США. Орландо, 2007; Темекула, 2008.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 3 статьях в рецензируемых журналах; в 13 материалах всероссийских и международных конференций, из которых 6 докладов и 7 тезисов докладов.

Личный вклад автора

При выполнении работ по теме диссертации диссертант принимал активное участие в постановке задач, обсуждении результатов, подготовке печатных работ и докладов на конференциях. Основные результаты диссертации получены при непосредственном участии автора. Им реализованы методы визуализации на модельных установках, на которых получена основная часть результатов работы. Результаты совместных работ представлены в диссертации с согласия соавторов. Автор выражает благодарность всем соавторам.

Краткое содержание работы по главам

Первая глава содержит детальное описание совокупности физических процессов и явлений, сопровождающих лазерную резку металлов и проблемы ее практической реализации на автоматизированном лазерном технологическом комплексе (АЛТК). Первая часть этой главы содержит описание различных видов лазерной резки, основные технологические достижения, полученные на сегодняшний день, обсуждаются проблемы, которые возникают при переходе к резке толстых листов металла. Во второй части, на основе простейших законов сохранения, приводятся оценки основных физических параметров процессов, здесь же представлены главные безразмерные комплексы, характеризующие лазерную резку материалов, и сформулированы причины ухудшения качества поверхности. В третьей и четвертой частях дан обзор и представлен анализ существующих в мире работ по теме проведенных автором диссертации исследований. В третьей части дается обзор научных исследований лазерной резки металлов, в четвертой проводится анализ возможных методов регистрации и диагностики.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию динамики вспомогательного газа в каналах, подобных лазерным резам. Для визуализации потоков в плоских каналах используются теневые методы, а также жидкие покрытия. В первой части формулируется постановка задачи и излагается реализация модельной установки. Обосновываются причины тех или иных упрощений, оценивается степень соответствия модельных экспериментов реальным. Здесь же приводится описание используемых методов визуализации. Во второй части изложено исследование сверхзвуковых потоков в плоских каналах. Такие течения характерны для резки нержавеющей стали, титана и других материалов, разрезаемых на АЛТК с инертным вспомогательным газом. Основной объект исследования здесь - явление отрыва потока от стенки канала, имитирующей фронт резки. Как показано, отрыв присутствует в широком диапазоне значений параметров процесса и всегда оказывает негативное влияние. В отрывной зоне возникает возвратное течение, вызывающее резкое изменение силового действия газа на расплав, что нарушает его унос. Это приводит к радикальному ухудшению качества поверхности в нижней части реза и к снижению энергетической эффективности процесса резки. С приминением методов визуализации исследованы механизмы воздействия на отрыв за счет изменения следующих параметров: давление в накопительной камере, конфигурация газодинамического сопла (коническое или конфузорно-диффузорное), ширина и длина канала. Определены параметры технологического процесса, при которых удается предотвратить отрыв потока. В третьей части приведены результаты моделирования газодинамических условий лазерной резки со вспомогательным газом кислородом. Здесь используются меньшие давления (до 2 атм) в накопительной камере, и в канале формируются дозвуковые течения. Визуализация таких течений проведена впервые, для этого применен метод жидких покрытий. В нижней части внутри канала обнаружен вихрь, наличие которого объясняет факт зашлаковывания нижней кромки реза в натурных экспериментах. Газодинамические режимы без вихря удалось достичь с применением двойного коаксиального сопла.

В третьей главе представлены результаты моделирования лазерной резки с помощью легкоплавких материалов. За счет снижения температуры в таком эксперименте появляется возможность одну из стенок канала реза заменить стеклом, и через него наблюдать и регистрировать процесс резки. Детальная информация о методах моделирования и скоростной фоторегистрации процесса изложена в первой части главы. Проводилось два типа экспериментов, где в качестве легкоплавких материалов использовались: парафин, с температурой плавления 54°С, и сплав Розе, плавящийся при 96°С. Плавление парафина осуществлялось струей подогретого воздуха, что на первом этапе исследований позволило получить общие представления о процессах плавления, течения и разрушения пленки расплава потоком газа. Эксперимент, более приближеный к реальному, поставлен при резке металлического сплава Розе излучением пониженной мощности. Проведен анализ критериев подобия, и обоснована применимость модельных экспериментов к описанию реального процесса резки.

Во второй части излагаются результаты моделирования с использованием парафина. Основная часть исследования посвящена изучению поведения пленки расплава, стекающей по фронту реза при взаимодействии с потоком газа. Показано, что с увеличением давления, под которым истекает струя газа, на поверхности пленки сначала появляются волны, затем она начинает разрушаеться на капли. Наблюдалось два механизма разрушения: на выступах, если фронт реза имеет неровности; и в режиме распыления. Приведены физико - математические модели этих механизмов с вычислением диаметра образующихся капель. Кроме этого исследовано поведение пленки, остающейся на боковых поверхностях. Обнаружены вихревые структуры в форме гантели, которые предположительно связаны с наличием горизонтальных полос на образцах лазерной резки металла. Наиболее важный результат состоит в том, что с уменьшением температуры струи, когда пленка начинает застывать, формируется бороздчатая структура, напоминающая шероховатость образцов лазерной резки, и грат. Тот факт, что бороздчатая структура и грат получены без участия лазерного излучения, свидетельствует о гидро-газодинамической природе этих дефектов качества.

Третья часть посвящена результатам визуализации процесса резки металлического сплава Розе излучением пониженной мощности. Основной целью ставилось изучение механизмов роста . шероховатости на формирующейся при резке металлической стенке. Обнаружено что шероховатость образуется на расстоянии от фронта реза, превышающем диаметр лазерного пучка, при кристаллизации расплава в условиях обтекания поверхности потоком газа. Отмечается разнообразие режимов удаления расплава в зависимости от скорости резки и газодинамики вспомогательного газа. Проводятся параллели с результатами второй главы. Рассматривается два основных механизма образования шероховатости, которые различаются характером переноса расплава в зону кристаллизации: в виде капель и в виде пленки. При наличии отрыва потока газа возникают дополнительные эффекты, вызванные вихрем внутри канала. Резкое увеличение шероховатости связано с тем, что вихрь удерживает расплав, нарушая его удаление. Вся область вихря оказывается заполнена каплями расплава, которые, во-первых, препятствуют распространению лазерного луча в нижнюю часть канала, во-вторых, прилипают к стенкам, увеличивая шероховатость. В результате, на высоте положения точки отрыва появляется ярко выраженная полоса, ниже которой шероховатость резко увеличивается. Наличие на некоторых образцах, получаемых на AJITK, нескольких горизонтальных полос может быть объяснено многократным отрывом-присоединением потока. Эксперементально зарегистрированы режимы с двумя вихрями внутри канала, при этом образующаяся шероховатость имеет три яруса.

В четвертой части приводятся физико-математические модели образования шероховатости при кристаллизации расплава. Для оценки скорости роста высот шероховатости эта величина сопоставляется со скоростью распространения волны кристаллизации при затвердевании расплава на поверхности боковой стенки. На основе упрощенного решения уравнения теплопроводности вычисляется распледеление температуры вблизи поверхности стенки. Рассчитывается тепловой поток, который определяет скорость кристаллизации. Для рассчета высот шероховатости скорость кристаллизации умножается на ширину штриха, наблюдаемую в эксперименте. Полученное числовое значение согласуется с результатами эксперимента. Построена феноменологическая модель влияния продольных вихрей в пограничном слое потока газа на формирование бороздчатой шероховатости. Показано, что продольные вихри способствуют переносу расплава из борозд на бугры, что увеличивает шероховатость при его затвердевании.

В заключении диссертации приводятся основные результаты и выводы.

На основе проведенных исследований сформулированы технические рекомендации по управлению параметрами резки, которые были успешно использованы в экспериментах на AJITK ИПТМ СО РАН при отработке практических технологий лазерной резки тол стол истовых металлов.

Автор выражает глубокую благодарность своим научным руководителям Ковалеву О.Б. и Петрову А.П., а также Оришичу A.M. и Лущаеву Г.Е. за поддержку в выполнении работы, помощь при постановке задач и обсуждении полученных результатов. А также благодарит Зайцева А.В., Ермолаева Г.В. и Шулятьева В.Б за совместно выполняемые работы, полезные дискуссии и советы.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, состоят из следующих положений:

1. Развиты методы визуализации в применении к диагностике процессов, сопровождающих лазерную резку металлов. Впервые использовался метод жидких покрытий для визуализации течений газа в каналах, геометрически сравнимых с каналами лазерных резов.

2. Обнаружено явление отрыва потока газа от фронта модельного реза в нижней его части. Дано объяснение причин ухудшения качества поверхности лазерного реза в натурных условиях, эти причины связаны с возникновением отрывного течения газа на гладкой поверхности в узком канале. Предложены способы устранения отрыва за счет изменения ширины канала, давления газа в камере и конфигурации сопла.

3. Обнаружено образование вихревого течения газа при выходе из канала, которое является причиной зашлаковывания нижней кромки реза или образования грата при лазерной резке с кислородом в натурных условиях. С помощью методов визуализации определены режимы работы двойного коаксиального сопла, позволяющие избавиться от вихря.

4. Разработана модельная установка, позволяющая проводить визуализацию процессов, протекающих при лазерной резке легкоплавкого материала. Впервые показано, что штрихи шероховатости образуются на определенном расстоянии от фронта реза как результат кристаллизации пленки расплава без прямого участия лазерного излучения.

5. Определены механизмы и предложены интегрально-аналитические модели удаления расплава из разреза с учетом образования борозд шероховатости, которые связаны с наличием волн на поверхности расплава и периодических циклов растекания и кристаллизации жидкого слоя металла.

6. По результатам работы сформулированы практические рекомендации, которые позволили улучшить качество поверхности реза. С использованием двойного коаксиального сопла на 20 % повышена скорость резки толстых (15,

20 мм) листов малоуглеродистой стали. Удалось технически реализовать кислородную резку с поддержкой лазерным лучом и перейти к резке более толстых листовых металлов толщиной от 30 до 50 мм.

Заключение

1. http://www.technolaser.ru/russian/album cut.htm

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

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

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

5. Макашов Н.К., Асмолов Е.С., Блинков В.В. и др. Газогидродинамика резки металлов непрерывным лазерным излучением в инертном газе. // Квантовая электроника. 1992. Т. 19, № 9. С. 910-915.

6. Ковалев О.Б., Оришич A.M., Фомин В.М., Шулятьев В.Б. Сопряженные задачи механики сплошных сред в процессах газолазерной резки металлов // ПМТФ. 2001. Т.42, №6. С. 106-116.

7. Голубев B.C. О механизмах удаления расплава при газолазерной резке материалов // Е-принт ИПЛИТ РАН, № 3, 2004

8. Aldo V. La Rocca // Proc. SPIE, 1993. Vol. 2097, pp. 100-111.

9. Shang-Liang Chen, W. O'Neill The effects of power rippling on C02 laser cutting // Optics and Lasers technology 29 № 3 (1997) pp. 125-134.

10. Schulz W., Kostrykin V., Zefferer H., Petring D., Poprawe R. . A free boundary problem related to laser beam fusion cutting: ODE approximation. // Int. J of Heat and mass transfer. 40 (1997) No. 12, pp. 2913-2928.

11. Schulz W., Kostrykin V., Nieben M., Michel J., Petring D., Kreutz E.W. and Poprawe R. Dynamics of ripple formation and melt flow in laser beam cutting // J. Phys. D: Appl. Phys. 32 (1999) pp. 1219-1228.

12. Vicanek M. and Simon G., Momentum and heat transfer of inert gas jet to the melt in laser cutting // J. Phys. D: Appl. Phys. 20 (1987) 1191-1196. UK

13. Vicanek M., Simon G., Urbassek H.M. and Decker I. Hydrodynamic instability of melt flow in laser cutting // J. Phys. D: Appl. Phys. 20 (1987) pp. 140-145.

14. Ming Jye Tsai and Cheng-1 Weng Linear stability analysis of molten flow in laser cutting // J. Phys. D Appl. Phys. 26 (1993) pp. 719-727.

15. Lawrence Y., Yao-Hongqiang Chen-Wenwu Zhang. Time scale effects in laser material removal: a review // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 26 (2005). P 598 608.

16. Tani G., tonissani L., Campana G., Prediction of melt geometry in laser cutting,// Applied surface science V 208-209(2003), pp. 142-147.

17. Tani G., Tomesani L., Campana G., Fortunato A. Quality factors assessed by analytical modelling in laser cutting Thin Solid Films // Applied surface science 453-454(2004) pp. 486-491.

18. Лойцянский JI. Г. Механика жидкости и газа. // М: Наука, 1978.

19. Прохоров A.M., Кононов В.И., Урсу И., Михэилеску И.Н. Взаимодействие лазерного излучения с металлами. // М: Наука, 1988.

20. O'Neill W and Steen W М. A three-dimensional analysis of gas entrainment operating during the laser-cutting process // Journal Physics D: Applied Physics. 28 (1995), pp. 12-18.

21. Kai Chen, Y. Lawrence Yao and Vijay Modi., Numerical simulation of oxidation effect in the laser cutting process// The International Journal of Advanced Manufacturing and Technology, 15 (1999), pp. 835-842.

22. Ivarson, 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 // Journal of Materials Processing Technology, 40 (1994) pp. 359-374.

23. Hsu M. J., Molian P.A. Off-axial, gas-jet assisted, laser cutting of 6.35-mm thick stainless steel // Transactions of ASME V 117 may 1995 pp. 272-276.

24. Ermolaev G.V., Kovalev O.B., Orishich A.M. and Fomin V.M. Mathematical modelling of striation formation in oxygen laser cutting of mild steel // J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) pp. 4236^4244

25. Steen W. M. Laser Material Processing // Third Edition, L.: Springer, 2003.

26. Pawell J. CO2-laser cutting. // L.: Springer-Verlag, 1998.

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

28. Веденов A.A., Гладуш Г.Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов.//М.: Энергоатомиздат, 1985.

29. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов.// М.: Машиностроение, 1988.

30. Голубев B.C. Лазерные макротехнологии: современное состояние и тенденции развития//Перспективные материалы. 2005, № 1. С. 5-12.

31. Базылева И.О., Галушкин М.Г., Голубев B.C., Дубровина Е.А., Карасев В.А. Термические потери в процессе газолазерной резки металлов // Сборник трудов ИПЛИТ РАН. Издательство ИПЛИТ РАН, 2005.

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

33. Gross M.S., Black I. and Muller W.H. Determination of the lower complexity limit for laser cut quality modeling// Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 12 (2004) pp. 1237-1249.

34. Gross M.S. On gas dynamic effects in the modeling of laser cutting processes // Applied Mathematical Modelling. 30 (2006) P 307 318.

35. Нестеров A.B., Низьев В.Г. Особенности резки металлов лазерным лучом с осесимметричной поляризацией// Изв. РАН. Сер. Физ. 1999. Т. 63, № 10. С. 2039-2046.

36. Nesterov A.V. and Niziev V.G. Propagation features of beams with axially symmetric polarization // J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt. 3 (2001) S215-S219.

37. Niziev V.G. and Nesterov A.V. Influence of beam polarization on laser cutting efficiency // J. Phys. D: Appl. Phys. 32 (1999) pp. 1455-1461.

38. Nesterov A.V. and Niziev V.G. Laser beams with axially symmetric Polarization // J. Phys. D: Appl. Phys. 33 (2000) pp. 1817-1822.

39. Nesterov A.V., Niziev V.G. and Yakunin V.P. Generation of high-power radially polarized beam // J. Phys. D: Appl. Phys. 32 (1999) pp. 2871-2875.

40. Chun-Hui Niu, Ben-Yuan Gu, Bi-Zhen Dong and Yan Zhang. A new method for generating axially-symmetric and radially-polarized beams // J. Phys. D: Appl. Phys. 38 (2005) pp. 827-832.

41. Черепанов Г.П., Черепанов А.Г. О форме и глубине реза лазерным лучом // Физика и химия обработки материалов. 1990. №2. С. 133-137.ч

42. Schulz W., Simon G., Urbassek H. M. and Decker I. On laser fusion cutting of metals // J. Phys. D: Appl. Phys. 20 (1987) pp. 481-488.

43. Minna Valkamma, Steen Erik Nielsen. Dual-focus laser cutting of mild steel, norlas transactions. // Welding in the World, March-April 2002, V. 46, No. 3/4, pp. 33-40.

44. P. A. Molian Dual-beam C02 laser cutting of thick metallic materials // Journal of material science (28) 1993, pp. 1738-1748.

45. H.C. Man, J. Duan, T.M. Yue. Dynamic characteristics of gas jets from subsonic and supersonic nozzles for high pressure gas laser cutting // Optics & Laser Technology 30 (1998), pp. 497-509.

46. Man H C, Duan J, and Yue T M. Analysis of the dynamic characteristics of gas flow inside a laser cut kerf under high cut-assist gas pressure //J. Phys. D: Appl. Phys. 32(1999), pp. 1469-77.

47. Duan J., Man H.C. and Yue T.M. Modeling the laser fusion cutting process: II. Distribution of supersonic gas flow field inside the cut ker'f //J. Phys. D: Appl. Phys. 34(2001), pp. 2135-2142.

48. Duan J., Man H.C. and Yue T.M. Modeling the laser fusion cutting process: III. Effects of various process parameters on cut kerf quality// J. Phys. D: Appl. Phys. 34 (2001), pp. 2143-2150.

49. Kai Chen, Y. Lawrence Yao, Vijay Modi Gas Jet-Workpiece Interactions in Laser Machining // Journal of Manufacturing Science and Engineering. AUGUST 122 (2000) pp. 429-438.

50. Kai Chen, Y. Lawrence Yao, Vijay Modi Gas dynamics effects on laser cut quality // Journal of manufacturing processes. 3 (2001) № 1, pp. 38-49.

51. Ching-Chuan Mai, Jehnming Lin. Flow structures around an inclined substrate subjected to a supersonic impinging jet in laser cutting // Optics & Laser Technology 34 (2002), pp. 479 486.

52. Ching-Chuan Mai, Jehnming Lin. Supersonic flow characteristics in laser grooving// Optics & Laser Technology 35 (2003) pp. 597 604.

53. Патель P.C., Брюстер M.K. Лазерное сверление металлов в газовой струе. Экспериментальные результаты // Аэрокосмическая техника. 1991. №11, с 3-10.

54. Патель Р.С., Брюстер М.К. Лазерное сверление металлов в газовой струе. Теоретическая модель // Аэрокосмическая техника 1991. №11, с. 11 20.

55. Lee Mein Wee, Lin Li. An analytical model for striation formation in laser cutting // Applied Surface Science, 247 (2005). P. 277 284.

56. Black I. A Comparison of Severance Energies for Reactive C02 Laser Cutting of Mild Steel // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 15 (1999), pp. 832-834.

57. 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) pp. 362-368.

58. Dilthey U., Faerber M., Weick J. Laser cutting of steel-cut quality depending on cutting parameter. // Weld. World, 1992, 30(9-10), pp 275-278.

59. Lepore M., Dell'Erba M., Esposito C., Daurelio G. and 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, pp. 241-251.

60. Schulz W., Beckert D., Franket J., Kemmerlingt R. and Herzigerz G. Heat conduction losses in laser cutting of metals // J. Phys. D: Appl. Phys. 26 (1993) pp. 1357-1363.

61. Arata Y., Maruo H., Miyamoto I., Takeuchi S. Dynamic Behaviour in Laser Gas Cutting of Mild Steel. // Trans. JWRI (1979) Part 2, 15-26.

62. Zefferer H., Petring D., Schulz W., Schneider F., Herziger G. Laser beam diagnostics and Modelling of Melt Drag and Ripple formation. // Proc. 11th int'l Congress "Laser in Engineering" (1993). Springer-Verlag, Berlin.

63. Grop A., Hutfless J., Schuberth S., Geiger M. (1995) Laser beam cutting. Journal of Optical and Quantum Electronics 27, 1257-1271.

64. Katayama S.Visualization of Molten Pool Phenomena during TIG or Laser Welding with Micro-Focused X-Ray Transmission In-Situ Imaging Technique. // of the National Meeting of JWS, Forum, Vol. 75, (2004, Sept.), pp. F-15-F-19. (in Japanese).

65. Chen L.S. In-process monitoring of the cutting front of CO2 laser cutting with off-axis optical fibre. // Int. J. Adv. Manuf. Tech. 13 (1997), No. 10, pp. 685-691.

66. Grum J., Кек Т., Slabe J.M. Possibility of On-Line Monitoring of Laser Cutting of Deep-Drawn Sheet Parts by Measuring Acoustic Emission. // Proc. of ECNDT 2006, pp. 323 333

67. De Keuster J., Duflou J. R. & Kruth J.P. Monitoring of high-power C02 laser cutting by means of an acoustic microphone and photodiodes. // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 35 (2007), pp. 115-126.

68. Hansmann M. et al. On-line control of the laser cutting process by monitoring the shower of sports // Power Beam Technology, 1986.

69. Doubenskaya M., Bertrand Ph., Smurov I. Optical monitoring of Nd:YAG laser cladding // Thin Solid Films, 453-454C (2003), pp. 477-485.

70. Ignatiev M., Smurov I., Flamant G. Real-time optical pyrometry in laser machining// Meas. Sci. Technol. 5 (1994) pp 563-573.

71. Miyamoto I., Maruo H., and Arata Y. Intensity Profile Measurement of Focused C02 Laser Beam Using PMMA // Proc. of ICALEO (1984) pp. 313-319.

72. Чаплиц А.Д., Астапов А.И. Визуализация газовых потоков во внутренних каналах. // Днепропетровск. 2007, 210с.

73. Панкхерст Р., Холдер. Д. Техника эксперимента в аэродинамических трубах. // Москва: издательство иностранной литературы., 1995. -320с.

74. Djachenko A. Yu. Oil-black visualization of the flow in the caverns of different forms // The NSTU proceeding, 2000. No. 3 (20). P. 46-52.

75. Бойко В. M., Оришич А. М., Павлов А. А., Пикалов В. В. Теоретические основы и методы оптической диагностики в аэрофизическом эксперименте: Учеб. пособие // Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2008. 412 с.

76. Павлов А.А. Интерферометр для панорамных измерений скорости и его варианты. Авторское свидетельство N 1304565, 1986.

77. Бродецкий М.Д., Никифоров С.Б., Павлов А.А., Шевченко A.M. Развитие метода лазерного ножа для сверхзвуковых аэродинамических труб. // "Теплофизика и аэромеханика", 2000, т. 7, № 3 стр. 375-380.

78. Raffel. М., Willert С., Wereley S., Kompenhans J. Particle Image Velocimetry. A practical guide. // (2007) Second edition, Berlin. Springer.

79. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С. Методы лазерной доплеровской анемометрии. // М.: Наука, 1982. 304 с.

80. Первушин Г.Е., Невский Л.Б., Ардашева М.М. Авторское свидетельство № 1065452 СССР, МКИ5 С 01 Р 5/20. Состав для индикаторного покрытия. 1984.

81. Лыков А.В. Тепломассообмен: (справочник) // М: Энергия, 1978.89. http://www.rit.edu/~andpph/text-schlieren.html

82. Zaitsev A.V., Kovalev O.B., Yudin P.V. Formation of a vortex flow at the laser cutting of sheet metal with low pressure of assisting gas // J. Phys. D: Appl. Phys., 41 (2008), No. 15, 155112 (8pp) P. 105-112.

83. Зайцев А.В., Ковалев О.Б., Оришич A.M., Фомин B.M., Шулятьев В.Б. Газодинамика лазерной резки толстолистовых металлических пластин непрерывным СОг-лазером // Вычислительные технологии. 2006. Т. 11. Спец. вып. Ч. 1. С. 74-83.

84. Зайцев А.В., Ковалев О.Б., Маликов А.Г., Оришич A.M., Шулятьев В.Б. Лазерная резка толстых стальных листов при использовании сверхзвуковой струи кислорода // Квантовая электроника. 2007. Т. 37, №6. С. 891-893.

85. Ковалев О.Б., Оришич A.M., Петров А.П., Фомин B.M., Малов А.Н., Ермолаев Г.В., Юдин П.В. Моделирование плавления и разрушения пленки расплава при газолазерной резке металлов.// Прикладная механика и техническая физика. 2004. Т.45, №1. С. 162-172.

86. Таблицы физических величин: Справ.// Под ред. И.К. Кикоина. М.:Атомиздат, 1976.

87. Адельберг М. Средний размер капель, образующихся при распаде струи жидкости, впрыскиваемой в высокоскоростной газовый поток//Ракет. техника и космонавтика. 1968. Т.6, №6. С. 187-193.

88. Дамб Г. Гидродинамика. // М.; JL Гостехтеоретиздат, 1947.

89. Леденев В.И., Карасев В.А., Якунин В.П. О связи капиллярных явлений и дефектообразовании при газолазерном разделении металлов // Изв.РАН. Сер. Физ. 1999. Т. 63, № 10. С. 2047-2052.

90. Babchin A.J., Frenkel A.L., Levich B.G., Sivashinsky G.I. Nonlinear saturation of Rayleigh Taylor instability in thin films // Phys. Fluids. 1983. V. 26, №11. P.3159-3160.

91. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. // M.: Физматгиз, 1959.

92. Колмогоров А.Н. О дроблении капель в турбулентном потоке. // Доклады АН СССР. 1949. Т.66, № 5. С. 825-828.

93. Яблоник P.M., Маркович Э.Э. О структуре формулы для среднего размера капель в пневматической форсунке//Изв. вузов. Энергетика. 1966. №6. С.72-74.

94. Маркович Э.Э., Гугучкин В.В., Васильев Н.И. Параметры капель, сорванных с жидкой пленки. // Черкассы, 1988, Деп. в Краснодарском политехническом институте (Отделении НИИТЭХИМа),06.05.87, №484-ХП-87.

95. Fedorchenko A.I., Abdukhalikov R.A. Metastable flow regimes of a thin liquid film on a vertical surface. // Journal of Thermophysics and Aeromechanics, Vol. 6, No 3, 1999. pp. 379-382.

96. Quintero F., Wagner F. et. al. Comprehensive assessment of the C02 laser cut quality of ceramics with different assist gas injection systems. // J. Laser Appl., Vol. 16, No. 4, November 2004.

97. Лыков. A.B. Теория теплопроводности. // Москва. Высшая школа, 1967.

98. Реутов В.П., Езерский А.Б., Рыбушкина Г.В., Чернов В.В. Конвективные структуры в тонком слое испаряющейся жидкости, обдуваемой воздушным потоком // Прикладная механика и техническая физика. 2007. Т. 48, № 4. С. 314.

99. Корнилов В.И. Пространственные пристенные турбулентные течения в угловых конфигурациях. // Новосибирск: Наука.У2000.