Резка толстых стальных листов излучением СО2-лазера тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Шулятьев Виктор Борисович

РЕЗКА ТОЛСТЫХ СТАЛЬНЫХ ЛИСТОВ ИЗЛУЧЕНИЕМ С02-ЛАЗЕРА

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

г-

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

1 9 МАЙ 2011

Новосибирск -2011

4847648

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

Научный консультант: д.ф.-м.н., профессор Оришич Анатолий Митрофанович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Князев Борис Александрович

Заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор Осипов Владимир Васильевич

доктор физико-математических наук Соловьёв Николай Германович

Ведущая организация:

Институт проблем лазерных и информационных технологий Российской академии наук

Защита состоится 17 июня 2011 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 003.035.02 в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 630090, Новосибирск-90, ул. Институтская, 4/1. V Д с

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просьба направлять на имя учёного секретаря диссертационного совета Д 003.035.02.

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

Автореферат разослан « Ат» 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н.

Засыпкин И.М.

Актуальность темы

Лазерная резка металлов успешно применяется в различных отраслях промышленности и продолжает развиваться. Лазерный рез образуется при локальном плавлении материала движущимся сфокусированным лучом и выдувании расплава струей вспомогательного газа. Основными направлениями развития лазерной резки являются повышение её эффективности (скорости резки, толщины разрезаемых листов) и достижение высоких показателей качества реза - низкой шероховатости поверхности реза, прямых стенок реза, малой зоны термического влияния. Полная и взаимосвязанная физическая картина образования лазерного реза к настоящему времени не построена [1, 2, 6]. Не разработаны надёжные методы прогнозирования результатов резки, оптимального выбора исходных параметров (мощности излучения, скорости резки) при различной толщине разрезаемых листов. Связано это, прежде всего, с многообразием и сложным взаимодействием протекающих при лазерной резке физических процессов. Главными из них являются: распространение и поглощение излучения в канале реза, распространение тепла в материале и образование расплава, течение газа в канале реза, выделение энергии в результате экзотермической реакции и образование окислов металла при использовании кислорода в качестве вспомогательного газа, движение пленки расплава под действием потока газа.

Наиболее распространенна лазерно-кислородная резка - резка низкоуглеродистой или низколегированной стали с кислородом в качестве вспомогательного газа. Шероховатость поверхности реза (характерная высота неоднородно-стей) наиболее часто принимается на практике как индикатор качества реза. Одна из существенных особенностей лазерной резки толстых листов (толщиной более 10 мм) состоит в том, что форма поверхности реза и скорость резки в значительной степени определяются процессами удаления расплава из канала реза. Физика таких процессов сложна и ещё не понята окончательно [1]. Теоретические методы описания формирования поверхности реза с учётом всех значимых факторов недостаточно развиты и не могут быть надёжной основой для практической оптимизации. На практике выбор оптимальных параметров резки производится эмпирически.

Таким образом, актуальной задачей является экспериментальный поиск закономерностей получения качественного реза толстых стальных листов, определение предельных возможностей лазерной резки. Соответствующие экспериментальные исследования должны иметь комплексный характер, проводиться по единой методике, в широком диапазоне параметров и на одном лазерном технологическом оборудовании.

Принципиально важным для выявления физических закономерностей лазерной резки является высокое качество (способностью фокусироваться в компактное пятно малых размеров) лазерного излучения и его стабильность в широком диапазоне мощности. Самым распространённым типом лазера для резки является в настоящее время С02-лазер. Проблема заключается в том, что для двухзеркального устойчивого лазерного резонатора (а такие резонаторы применялись и продолжают применяться в большинстве промышленных технологи-

з

ческих С02-лазеров), требования высокой мощности и высокого качества пучка являются противоречивыми. Для генерации излучения с высоким качеством и расходимостью излучения, близкой к дифракционному пределу, число Френеля N резонатора не должно превышать величины, приблизительно равной единице, N = с^/ХЬ, здесь а и соответственно, радиус апертуры зеркал и длина резонатора, X - длина волны излучения [3]. При заданной длине резонатора это условие ограничивает объём активной среды, следовательно, и мощность излучения. В настоящей работе исследуется возможность создания мощного технологического С02-лазера с высоким качеством излучения на основе самофильтрующего неустойчивого резонатора (СФР) [4].

Повышение мощности технологических лазеров при сохранении высокого качества пучка стало основным направлением их совершенствования с начала практического использования. Более мощный лазер с высоким качеством пучка позволяет повысить максимальную толщину разрезаемых листов и скорость резки. Таким образом, разработка методов генерации пучков с высоким качеством в мощных технологических С02-лазерах, активная среда которых характеризуется большим числом Френеля, имеет самостоятельную актуальность.

Цели работы

1. Поиск закономерностей получения качественного реза и соотношений подобия для лазерно-кислородной резки стали при больших толщинах разрезаемых листов.

2. Разработка научных основ создания оптического резонатора для технологического С02-лазера с высоким качеством излучения в широком диапазоне мощности.

При выполнении работы решались следующие задачи.

1. Поиск оптимальной конфигурации неустойчивого резонатора. Численное и экспериментальное обоснование возможности эффективного использования СФР в мощном непрерывном С02-лазере, определение оптимальной области рабочих параметров СФР.

2. Разработка научных основ проектирования и конструктивных схем СФР для технологических С02-лазеров с поперечным потоком. Создание лазеров с СФР и исследование их характеристик.

3. Исследование возможности качественной резки металлических материалов при помощи С02-лазера с СФР без пространственной фильтрации излучения.

4. Экспериментальное исследование зависимости шероховатости поверхности от параметров процесса при лазерно-кислородной резке листов низкоуглеродистой стали в широком диапазоне толщин (5...25 мм).

5. Поиск эмпирических закономерностей лазерно-кислородной резки стали и условий получения минимальной шероховатости реза в виде соотношений между обобщёнными безразмерными переменными.

6. Практическая реализация полученных в работе результатов при создании лазерных технологических комплексов для резки.

Научная новизна

1. Разработаны научные основы оптимизации процесса лазерной резки листов низкоуглеродистой стали толщиной 5...50 мм при использовании С02-лазера.

2. На основе детального экспериментального исследования установлено, что при лазерно-кислородной резке толстых (5...25 мм) листов низкоуглеродистой стали имеется минимум зависимости шероховатости поверхности реза от параметров резки. В пространстве обобщенных безразмерных переменных минимум достигается при числе Пекле, равном 0,5...0,6.

3. Найдены энергетические условия образования качественного реза и соотношения подобия для лазерно-кислородной резки низкоуглеродистой стали при больших толщинах листов. Установлено, что существуют оптимальные значения лазерной энергии, вкладываемой в единицу объёма удаляемого материала, и мощности излучения, приходящейся на единицу толщины листа, при которых шероховатость поверхности реза минимальна.

4. Предложен и обоснован критерий определения максимальной толщины листа, при которой ещё может быть получено высокое качество реза при лазерно-кислородной резке стали. Предложены простые практические соотношения для расчёта оптимальных параметров резки по критерию минимума шероховатости.

5. Экспериментально реализована качественная резка низкоуглеродистой стали в сверхзвуковой струе кислорода с поддержкой лазерным излучением с применением С02-лазера с СФР. Для пластин толщиной от 20 до 50 мм определены оптимальные параметры резки.

6. Предложен и обоснован метод повышения яркости выходного пучка технологического С02-лазера, основанный на использовании самофильтрующего оптического резонатора. Впервые СФР применен в технологическом С02-лазере.

7. Впервые создан технологический С02-лазер с качеством пучка на уровне основной гауссовой моды устойчивого резонатора при мощности излучения 8 кВт, число Френеля резонатора равно 6,4. Разработаны научные основы проектирования С02-лазеров с СФР.

8. Экспериментально обоснована возможность использования С02-лазера с оптическим резонатором из полностью отражающих зеркал для высококачественной резки металлов без пространственной фильтрации излучения.

На защиту выносятся

1. Результаты экспериментальных и численных исследований СФР в условиях непрерывного электроразрядного С02-лазера, включая условия эффективного применения СФР и характеристики лазеров с СФР.

2. Создание технологических С02-лазеров с СФР. Разработанные рекомендации по инженерному проектированию и схемы СФР для технологических С02-лазеров с поперечным потоком.

3. Результаты экспериментальных исследований резки листовых металлических материалов с использованием С02-лазеров с СФР. Найденные характеристики резов при резке с нейтральным газом, лазерно-кислородной резке и кислородной резке, поддерживаемой лазерным излучением.

4. Результаты исследования закономерностей получения качественного реза при лазерно-кислородной резке толстых листов низкоуглеродистой стали. Найденные экспериментально соотношения подобия и законы масштабирования.

5. Применение лазеров с СФР и результатов исследования закономерностей получения качественных резов при создании лазерных технологических комплексов и оптимизации технологических процессов.

Практическая ценность работы

Результаты диссертационной работы использованы при создании в ИТПМ СО РАН автоматизированных лазерных технологических комплексов для резки листовых материалов.

Результаты позволяют создавать мощные С02-лазеры с высоким качеством излучения на основе простых по конструкции резонаторов из полностью отражающих зеркал. В ИТПМ СО РАН созданы технологические лазеры с СФР мощностью от 1,5 кВт до 8 кВт. Найденные в работе законы получения качественного реза и результаты оптимизации лазерно-кислородной резки стальных листов применяются при разработке промышленных технологий резки.

Лазерный технологический комплекс на основе лазера мощностью 1,5 кВт для резки электротехнической стали установлен в НПО «ЭЛСИБ» в 2001 году. В 2002 году в ОАО «Новосибирский завод химконцентратов» установлен комплекс мощностью 5 кВт для вырезки деталей из коррозионно-стойких, углеродистых и низколегированных сталей, диэлектриков, композиционных материалов. Комплекс на основе лазера мощностью до 8 кВт создан для «ОКБ лазерной техники» при СО РАН. На комплексе ведутся исследования и разработки по лазерной технологии, в частности, произведена резка титановых пластин толщиной 30 мм. На предприятии «Элсиб-Лазер» С02-лазеры мощностью 5 кВт с СФР входят в состав двух комплексов, использующихся для резки широкого круга металлических и неметаллических материалов. На основе лазеров с СФР мощностью 6 кВт в ИТПМ СО РАН создан лазерно-технологический участок.

Результаты применены также при создании импульсно-периодического С02-лазера с модуляцией добротности резонатора. Лазер используется для создания оптического разряда в сверхзвуковом потоке газа в экспериментах по радиационной газодинамике и в технологических разработках.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих Международных и Всероссийских научных конференциях: 27th International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics ICALEO, Temecula, CA, USA, 2008; 28th International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics ICALEO, Orlando, FL, USA, 2009; 29th International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics ICALEO, Anaheim, CA, USA, 2010; XIII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers GCL/HPL, Florence, Italy, 2000; XV International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers GCL/HPL, Prague, Czech republic, 2004; XVI International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers GCL/HPL, Gmunden, Austria, 2006; XVII Internationa] Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers GCL/HPL, Lisbon, Portugal, 2008; International Conference on Lasers, Applications, and Technologies LAT, St. Petersburg, 2005; International Conference on Lasers, Applications, and Technologies LAT, Kazan, 2010; V International Conference "Laser Technologies and Lasers" LTL, Smolyan, Bulgaria, 2006; VI International Conference "Laser Technologies and Lasers" LTL, Smolyan, Bulgaria, 2009; VII Международная конференция «Лазерные и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и приложения», Владимир-Суздаль, 2001); III Всесоюзная конференция "Применение лазеров в народном хозяйстве", Шатура, 1989; Russia National Conference: Industrial Lasers and Laser Material Processing, Shatura, 1993; International Conference on the Methods of Aerophysical Research ICMAR, Novosibirsk, 2007; International Conference on the Methods of Aerophysical Research ICMAR, Novosibirsk, 2008; 5 Международная конференции "Лазерные технологии и средства их реализации", С.-Петербург, 2005; III Всероссийская конференция "Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине", Новосибирск, 2009; XI Internationsl Conference "Laser Optics: High Power Gas Lasers", St. Petersburg, 2003.

Публикации

Перечень основных публикаций по теме диссертации дан в конце автореферата. Из них 17 (номера 1-17) опубликованы в рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в Перечень ВАК для опубликования результатов кандидатских и докторских диссертаций от 27.09.2010. По результатам работы получено три патента РФ.

Достоверность результатов

Достоверность результатов работы обоснована:

- сочетанием расчётных и экспериментальных методов исследования, сравнением результатов измерений с результатами численных расчётов;

- использованием надёжных, апробированных методов измерений, дублированием измерений с применением различных методик;

- непротиворечивостью полученных результатов и их согласием с результатами других авторов в сопоставимых частных случаях;

- успешным использованием в практике лазерной резки технических решений и рекомендаций, разработанных на основе полученных в работе научных результатов.

Личный вклад автора

Личный вклад автора в получение представленных в работе результатов является определяющим. Автором предложен реализованный в работе метод повышения качества излучения технологического лазера. Принципиальные технические решения и конструктивные схемы СФР для С02-лазеров с поперечным потоком разработаны автором или под его научным руководством. Все экспериментальные результаты получены автором лично или при его непосредственном участии и под его руководством. Результаты численных исследований получены автором лично, под его руководством или по его заданию. Автором проводился анализ и обобщение результатов расчётов и экспериментов, делались выводы на всех этапах работы. Включение в диссертацию результатов, полученных в совместных работах, обсуждено и согласовано с соавторами. Автор принимал активное участие в создании и промышленном освоении лазерных технологических комплексов для резки листовых материалов.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами по главам, заключения, списка литературы и 2 приложений. Объем работы составляет 306 страниц, в том числе 144 рисунка и 18 таблиц. Список литературы включает 261 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дана общая характеристика работы. Обоснована актуальность работы, сформулированы её цели, новизна и практическая значимость полученных результатов, дан перечень публикаций в реферируемых журналах по теме диссертации.

В Главе 1 дано общее описание лазерных технологий обработки материалов и технологических лазеров. Отмечены особенности различных технологий, проведено их сравнение по параметрам «интенсивность лазерного излучения - время воздействия». Перечислены разновидности технологических С02-лазеров, их компоновочных схем, методов возбуждения и охлаждения активной среды.

Отмечена решающая роль оптического резонатора в формировании пространственных характеристик излучения, сформулированы требования к резонатору мощного технологического лазера. Проанализированы проблемы, возникающие при создании мощных технологических СОг-лазеров с высоким качеством излучения, и дан обзор известных способов их решения. В широко-апертурных устойчивых резонаторах возбуждаются поперечные моды высших порядков, пучок имеет низкое качество. В настоящей работе качество пучка характеризуется безразмерным параметром качества, К = 4А/лрПД здесь □, И -расходимость пучка в дальней зоне и диаметр в ближней зоне, Я - длина волны

излучения. В неустойчивом резонаторе из полностью отражающих зеркал выходной пучок имеет в поперечном сечении форму кольца. В дальней зоне значительная доля энергии содержится в периферийной части пучка, вне центрального максимума, это делает пучок непригодным для качественной резки металлов.

Для генерации излучения с высоким качеством в технологических С02-лазерах мощностью 5 кВт и более исследовались различные схемы лазерных резонаторов с большим числом Френеля. В большинстве известных решений повышение качества излучения достигалось путём исключения характерной для неустойчивого резонатора кольцевой структура пучка. При этом резонатор приобретал новые особенности. Например, в промышленных лазерах с неустойчиво-волноводным резонатором фирмы 11оПп-8таг [16] пучок имеет прямоугольное сечение и разное распределение интенсивности по двум поперечным координатам. Это делает необходимым внешнее преобразование пучка (включая пространственную фильтрацию) перед его использованием. В настоящей работе предпринят другой подход: исследуется возможность уменьшения величины побочных максимумов в дальней зоне до приемлемой величины при кольцевом выходным пучке. В этом случае сохраняются преимущества неустойчивого резонатора - аксиально-симметричный выходной пучок, простота схемы, использование обычных металлических зеркал, что облегчает создание надёжной, стабильной конструкции, и является преимуществом в случае мощного лазера.

Такой подход требует решения двух основных задач. Первая заключается в поиске оптимальной конфигурации резонатора и исследовании характеристик излучения лазера. Вторая задача состоит в исследовании возможности использовании такого лазера для качественной резки металлов без дополнительной пространственной фильтрации излучения. Решение этой задачи осложняется тем, что отсутствуют количественные методы оценки влияния пространственной структуры пучка на качество реза.

В этой главе также дано описание разработанных в ИТПМ СО РАН технологических лазеров с поперечным потоком ЛОК, Сибирь. Приведены характеристики лазера ЛОК-3 с неустойчивым телескопическим резонатором. Отмечено, что низкое качество пучка лазера с неустойчивым резонатором не позволяет использовать его для высококачественной резки металлических материалов.

В качестве объекта исследования автором был выбран самофильтрующий резонатор (СФР) [4]. СФР применялся ранее в лазерах с импульсной накачкой и рассматривался специалистами как резонатор для лазеров с высоким коэффициентом усиления [3, 5]. В лазерах непрерывного действия, в том числе в С02-лазерах, которые можно отнести к лазерам с умеренным усилением, СФР не использовался.

В Главе 2 представлены результаты численного исследования самофильтрующего резонатора. Цель расчётов - определить возможность эффективного использования СФР в мощном технологическом С02-лазере. Описаны особенности схемы СФР и применявшиеся методы расчёта.

СФР (рис. 1) представляет собой конфокальный резонатор из двух вогнутых софокусных сферических зеркал, в общей фокальной плоскости которых расположено кольцевое выводное зеркало с отверстием связи радиусом а = Л/0,61Я/"2. Выводное зеркало и зеркало 2 с меньшим фокусным расстоянием образуют пространственный фильтр, который формирует гладкое, колоко-лообразное распределение интенсивности в поперечном сечении пучка. Активная среда расположена между выводным зеркалом 3 и сферическим зеркалом 1.

Рис. 1. Принципиальная схема самофильтрующего неустойчивого резонатора.

1,2- вогнутые сферические зеркала, 3 - фильтрующая диафрагма. Линиями со стрелками показан

ход лучей.

Расчет распределения интенсивности в пучке СФР проводился на основе дифракционного интеграла Френеля - Кирхгофа. Дифракционный интеграл, записанный через элементы лучевой матрицы для случая осевой симметрии, выглядит следующим образом:

«2(г2) = ^^¡и^ПЛп (1)

здесь щ(г\), щ{гт) - радиальные распределения комплексной амплитуды поля в опорных плоскостях 1 и 2, Ь - расстояние между опорными плоскостями, а, -радиус апертуры источника в плоскости 1, У0 - функция Бесселя первого рода нулевого порядка, к = 2 / , А, Б, £)-элементы лучевой матрицы промежутка 12. Расчеты проводились двумя методами - итерационным методом Фокса и Ли, а также по методу [7], при котором интегральное уравнение резонатора сводится к системе линейных алгебраических уравнений.

Расчеты выполнялись для низшей моды пустого резонатора с круглыми сферическими зеркалами. Вследствие дифракции на отверстии связи распределение в дальней зоне представляет собой характерную структуру с центральным пятном и боковыми кольцами. Качество пучка возрастает с ростом увеличения М резонатора, М =/¡//2, поскольку уменьшается интенсивность побочных максимумов и доля мощности за пределами центрального пятна.

На рис. 2 показана доля мощности Ео/Еы в центральном пятне в дальней зоне и относительная интенсивность 1т//0 первого побочного максимума в зависимости от увеличения М резонатора. При М = 4 в центральном пятне содержится 92% всей мощности пучка, а /т имеет величину менее 0,0047 от осевой интенсивности. Для сравнения отметим, что источнику с круглой апертурой и

однородным распределением амплитуды и фазы соответствуют Е0/Еы и /„//о равные 84% и 0, 0175. На рис. 3 показаны зависимости параметра качества пучка К, относительного модового объема V и величины обратной связи II' от коэффициента увеличения резонатора. При М > 4 выходной пучок СФР приближается по качеству к гауссову, параметр К имеет величину приблизительно 0,9 и более. При этом модовый объем СФР более чем в 2,5 раза превышает объем ТЕМоо моды УР такой же длины. Расчётным путём также определены оптимальные поперечные размеры зеркал по отношению к размерам пятен на зеркалах.

Зависимость эффективности преобразования энергии в резонаторе от усиления активной среды и величины обратной связи проанализирована по известной методике [3] в приближении стационарного режима генерации, однородного уширения контура усиления, равномерного распределения ненасыщенного коэффициента усиления а0 по активному объёму и равномерного распределения интенсивности излучения генерации в поперечном сечении резонатора. Как показали расчёты, для достижения максимальной эффективности преобразования при М = 4...5 (минимальная величина для генерации пучка с высоким качеством), необходимо усиление о(о/ = 10...12, / - длина активной среды. Величина энергетической эффективности резонатора, равная 90% от максимальной, достигается при ¡/о' —4...6. Такое усиление достижимо в С02-лазере при непрерывной накачке и многопроходной схеме резонатора.

Ео/Е,

0,9

0,8 0,7 0,6 0,5

\ Е^ _;

\

/

/ -__[п /'о

0,08

"■Л

0,06

0,04 0,02 0,00

М

Рис. 2. Доля мощности Еа/Е,0, внутри центрального пятна и интенсивность /т//0 первого побочного максимума по отношению к осевой интенсивности пучка СФР в дальней зоне при различных значениях увеличениях резонатора.

м

Рис. 3. Зависимости параметра качества пучка К, относительного модового объема Vи величины обратной связи /?' от коэффициента увеличения резонатора.

Результаты расчётов позволяют сделать следующий вывод. При М > 4 выходной пучок СФР приближается по качеству к гауссову, при этом имеется значимый выигрыш (в 2,5...3 и более раз) в модовом объеме по сравнению с низшей модой УР такой же длины. Усиление активной среды, характерное для мощных электроразрядных С02-лазеров с непрерывной накачкой, позволяет получить при М > 4 высокую эффективность преобразования энергии в резонаторе. Таким образом, существует возможность эффективного использования СФР в мощном технологическом С02-лазере.

Результаты расчётов представлены в виде диаграмм в координатах «коэффициент увеличения - длина активной среды» и «число Френеля - длина активной среды» при оптимальном отношении апертуры зеркал резонатора к размеру пятен на зеркалах и при различных значениях усиления слабого сигнала и вредных потерь. Диаграммы позволяют путём выбора рабочей точки задать исходные данные для инженерного проектирования резонатора технологического С02-лазера.

В реальном лазере угловое положение зеркал может отличаться от идеального, при котором ось резонатора проходит через центры апертуры всех зеркал и через центр фильтрующей диафрагмы. На основе дифракционных и геометрических расчётов сделан вывод, что деформация моды, наклон оси пучка и смещение пятен на зеркалах, вызванные наклоном зеркал, не превышают в СФР тех величин, которые характерны для устойчивого резонатора. Требования к стабильности углового положения зеркал не являются для СФР более жёсткими, чем для других типов резонаторов, которые используются в технологических лазерах.

Глава 3. Созданные в ИТПМ СО РАН технологические С02-лазеры непрерывного действия семейства ЛОК, Сибирь существуют в нескольких модификациях. Общим для них является использование самостоятельного разряда постоянного тока для возбуждения активной среды, конструкция электрораз-

рядного устройства со сплошными несекционированными электродами и общая компоновочная схема лазера: направления газового потока, электрического тока и направление распространения излучения в резонаторе взаимно перпендикулярны. Различаются лазеры длиной электродной системы в поперечном к газовому потоку направлении, количеством разрядов в общем газовом потоке (один или два), конфигурацией газодинамического контура. Электродная система включает общий для двух разрядов анод - медную пластину шириной вдоль потока 100... 140 мм, и два катода - медные трубки по обеим сторонам анода вблизи диэлектрических стенок канала. Газ прокачивается по замкнутому контуру при помощи центробежного вентилятора. Скорость газового потока на входе в разрядную камеру - 45...60 м/с. Непосредственно за разрядной камерой по направлению потока расположен ребристый теплообменник, использующий в качестве хладагента воду. Максимальное рабочее давление газовой смеси С02:К2:Не - до 30 мм.рт.ст.

СФР установлен и исследовался на нескольких лазерах типа ЛОК, отличающихся количеством разрядных промежутков и длиной разряда.

Максимальная мощность излучения С02-лазеров семейства ЛОК с СФР получена на лазере Сибирь-1 с двумя разрядными промежутками в общем газовом потоке. Схема резонатора показана ни рис. 4. В большем плече резонатора луч совершает по три прохода в каждом разрядном промежутке по Z - образной схеме. Увеличение резонатора равно 4,5, длина резонатора (расстояние между крайними сферическими зеркалами - 11,2 м). Диаметр отверстия связи в выводном зеркале равен 7,3 мм, диаметр апертуры зеркал в большом плече резонатора - 49 мм и равен расчетному значению центрального пятна распределения интенсивности. Кольцевое зеркало является вогнутым и образует со стоящим за ним по ходу луча выпуклым зеркалом (на рисунке не показано) телескоп, уменьшающий диаметр луча в 1,3 раза.

Максимальная мощность излучения лазера Сибирь-1 составила 8,3 кВт. В таблице 1 дано сравнение лазера Сибирь-1 с С02-лазерами Spectra Physics 820

1 а

--------—^===-3

о-

Рис. 4. Схема СФР С02-лазера «Сибирь 1». 1,2- сферические зеркала, 3 - кольцевое выводное зеркало.

[8] и Toshiba Corporation [9], в которых активная среда возбуждается также самостоятельным разрядом постоянного тока. Таблица 1

Лазер Резонатор Мощность излучения, кВт Апертура зеркал, мм Длина резонатора, м Удельная мощность, кВт/м

Spectra Physics 820 Устойчивый ТЕМоо 1,5 8,05 0,19

Toshiba Corporation Неустойчивый М = 3 10 50 10 1,0

Сибирь-1 Самофильтрующий М = 4,5 8 49 11,2 0,71

По мощности излучения с единицы длина резонатора СФР более чем в три раза превосходит устойчивый резонатор при генерации на ТЕМСоМоде. Удельная мощность лазера с СФР составляет около 70% аналогичной величины лазера с неустойчивым телескопическим резонатором.

Измерения пространственных характеристик излучения выполнены на лазерах Сибирь-1 мощностью 8 кВт и ЛОК-ЗМ мощностью 3,5 кВт. Лазер ЛОК-ЗМ имеет также два разрядных промежутка при длине разряда 80 мм. Увеличение резонатора ЛОК-ЗМ равно 4,5, компоновочная схема резонатора аналогична схеме лазера Сибирь 1. Для определения расходимости излучения в дальней зоне использовался метод фокального пятна. По результатам измерений расходимость излучения (полный угол по уровню 0,86 мощности) равна 0,68 мрад, а диаметр Б пучка в ближней зоне, также измеренный методом калиброванных диафрагм - 30 мм. Этим величинам соответствует К = 0,66. Зависимость распределения интенсивности в сфокусированном пучке от мощности излучения

измерена на установке лазере Сибирь* 1. Распределение интенсивности в перетяжке пучка, сфокусированного 2пБе линзой с фокусным расстоянием 190,5 мм, регистрировалось методом сканирования отражающим цилиндром (что эквивалентно сканированию

Рис. 5. Распределение интенсивности (результат сканирования щелью) в перетяжке пучка, сфокусированного линзой с фокусным расстоянием 190,5 мм.

щелью). Фокусирующая линза входит в состав резака, который используется для лазерной резки. Апертурный диаметр пучка на входе в линзу устанавливался при помощи телескопа равным 30 мм. На рис. 5 показано распределение мощности в пучке, полученное в результате сканирования перетяжки пучка в направлении,

перпендикулярном оси пучка. Измерения проводились в диапазоне мощности 0,5...6 кВт. При этих мощностях осевая интенсивность возрастает с повышением мощности практически линейно, и не происходит видимых изменений диаметра пучка и формы распределения.

На основе достигнутой в лазере Сибирь-1 удельной мощности излучения 0,67 кВт с одного литра активного объёма сделаны оценки максимальной мощности, достижимой в С02-лазерах с поперечным потоком типа JIOK, Сибирь при увеличении длины разрядной системы и объёма активной среды. Показано, что при увеличении длина разряда до величин, не превышающих длину разряда в известных системах, может быть достигнута мощность излучения 15 кВт.

На рис. 6 в координатах «мощность излучения - параметр качества» представлены результаты настоящей работы (отмечены кружками), а также характеристики технологических лазеров двух ведущих мировых производителей - фирм Rofin Sinar [16] и Trumpf [17]. Стрелкой показан результат оценки максимальной мощности, достижимой в С02-лазере с СФР. Пунктирной линией отмечена величина параметра качества, необходимая для качественной резки металлов [15]. Как видно из рисунка 6, лазер с СФР имеет к настоящему времени наилучшее сочетание «мощность излучения - качество пучка» среди лазеров

1,0-1 0,8-

К °-6"

0,40,2-

Щелевой лазер

(Rofin Sinar)

. 2005 г

* 2005 г

д 2010 г

□ 2010 г

И ■ ■

СФР^ИТПМ, 2004)

УР (Trumpf)

0 2 4 6 8 10 12 14 16

W, кВт

Рис. 6. Мощность и качество излучения лазеров с СФР и технологических СОг-лазеров фирм ТгитрГи Иойп Бтаг. Квадраты - лазеры с устойчивым резонатором, треугольники - щелевые лазеры ЯоАп Б ¡пат с вол-новодно-неустойчивым резонатором и внешней пространственной фильтрацией, кружки в рамке -лазеры с СФР по результатам настоящей работы.

(«чистых» генераторов без внешних преобразований пучка), применяемых для резки. Более высокое качество пучка имеют лазерные системы Яойп 8 ¡паг с волноводно-неустойчивым резонатором и внешней пространственной фильтрацией. На момент публикации результатов лазер с СФР имел наибольшую мощность среди С02-лазеров с качеством излучения ТЕМоо моды (К > 0,6), даже если иметь в виду и системы с преобразованием пучка.

На основе непрерывного С02-лазера создан импульсно-периодический лазер с модуляцией добротности резонатора. В качестве модулятора использован вращающийся медный диск с прорезями. Модулятор помещён в малое плечо резонатора, где пучок имеет в 6 раз меньший размер и в 10 меньшую мощность по сравнению с выходным пучкам, это существенно облегчает управление характеристиками излучения. Для уменьшения длительности и увеличения мощности импульса модуляция производится в фокусе телескопа с коэффициентом увеличения 1:1, телескоп составлен из вогнутых цилиндрических зеркал. Лазер генерирует в импульсно-периодическом режиме среднюю мощность около 5 кВт, длительность фронта лидирующего пика импульса равна приблизительно 0,1 мкс. Благодаря быстрому установлению стационарного распределения поля моды в СФР (за 1-2 прохода света по резонатору), пучок с высоким качеством формируется уже на переднем фронте импульса. Лазер используется в научных исследованиях для создания оптического разряда в сверхзвуковом потоке воздуха [18] и в технологических разработках.

Глава 4. В этой главе экспериментально исследуется возможность использования лазера с СФР для качественной резки металлов, в первую очередь - стали. На основе анализа литературных источников дан обзор механизмов образования грата и бороздок на поверхности реза. Отмечено, что отсутствуют теоретические модели, которые позволяли бы определять характеристики рельефа поверхности реза по заданным параметрам резки. Также указывается на отсутствие количественных методов оценки влияния пространственной структуры лазерного пучка на характеристики реза. Отсюда вытекает необходимость прямых экспериментов.

Исследовались характеристики реза (ширина реза, шероховатость поверхности, скорость резки) пластин низкоуглеродистой стали, коррозионно-стойкой стали и титана. Шероховатость (характерная высота неоднородностей) характеризуется в настоящей работе величиной ^ (ГОСТ 2789-73) и измеряется по стандартной методике. Проведено сравнение измеренных характеристик реза с известными результатами для лазера с устойчивым резонатором.

Производилась резка листов низкоуглеродистой стали СтЗпс толщиной от 1,5 до 25 мм с кислородом в качестве вспомогательного газа, нержавеющей стали 12Х18Н10Т до 25 мм с азотом и титановых пластин толщиной 20 мм и 30 мм с аргоном.

Схема процесса лазерной резки показана на рис. 7. Излучение фокусируется на материал. Коаксиапьно с лазерным лучом подаётся струя вспомогательного газа, выдувающего расплав. При относительном перемещении лазерного

Рис. 7. Схема процесса лазерной резки.

луча и образца образуется сквозной рез. Оптическая система установки для лазерной резки включает лазерный резонатор с увеличением 4,5, выходное окно из 2п8е, зеркальный телескоп для согласования диаметра выходного пучка лазера и входной апертуры лазерного резака, систему плоских промежуточных зеркал, фазосдвигающее зеркало для преобразования пло-

ской поляризации излучения в круговую, фокусирующую линзу из ZnSe. Координатный технологический стол построен по схеме «летающая оптика» (лазерный резак перемещается по двум поперечным координатам относительно неподвижного листа). Для стабилизации зазора между газовым соплом и разрезаемым листом применена система слежения на основе емкостного датчика.

При резке с кислородом в качестве вспомогательного газа (лазерно-кислородной резке) во всем диапазоне толщин получен рез без грата, боковые стенки канала реза близки к прямым. Сравнение полученных результатов с известными из научной литературы данными показало, что ширина реза и шероховатость поверхности реза близки к тем величинам, которые обеспечиваются при резке с помощью С02-лазера, снабжённого устойчивым резонатором.

При резке нержавеющей стали с нейтральным газом шероховатость реза также близка для лазеров с СФР и с устойчивым резонатором. На примере резки титановых пластин толщиной 20 мм продемонстрирована возможность получать благодаря высокому качеству пучка узкие (шириной 0,3...0,35 мм в средней части) резы с близкими к прямым стенками.

Экспериментально реализована кислородная резка низкоуглеродистой стали с поддержкой лазерным излучением [10] при использовании лазера с СФР. Лазерное излучение нагревает поверхность материала до температуры, при которой инициируется реакция горения. Канал реза формируется при сгорании железа в сверхзвуковой струе кислорода. Характеристики сверхзвукового сопла оптимизированы численно A.B. Зайцевым. Схема резки показана на рис. 8. Разрезались стальные листы толщиной 18, 32, 40, 50 мм. Для всех толщин получены резы без грата и с малой шероховатостью, определены оптимальные параметры резки. Измеренная величина шероховатости поверхности реза для листов толщиной 32 мм и 40 мм на половине толщины равна, соответственно, 15 мкм и 23 мкм. На рис. 9 показан образец детали, вырезанной из стали 10ХСНД, толщина листа - 32 мм.

Рис. 8. Схема кислородной резки, поддерживаемой лазерным излучением. 1 - форкамера резака, 2 - патрубок для подачи кислорода, 3 - сверхзвуковое сопло, 4 - струя кислорода, 5 - разрезаемый лист, б — лазерный пучок, 7 - фокусирующая линза.

а б

Рис. 9. Фотографии детали'(а) из стали 10ХСНД, I = 32 мм, и пластины, из которой

вырезана деталь (б).

По результатам экспериментов сделан вывод, что особенности пространственной структуры пучка СФР не оказывают существенного влияния на характеристики реза. Шероховатость поверхности реза, ширина реза, форма канала реза близки для резов, выполненных при помощи С02-лазеров с СФР и УР.

Глава 5 посвящена экспериментальному поиску закономерностей получения качественного реза при лазерно-кислородной резке низкоуглеродистой стали в области толстых листов (5...25 мм). Во многих приложениях наиболее важным показателем качества является шероховатость поверхности реза. В настоящей работе величина шероховатости принята как критерий качества реза.

Источниками неоднородностей, бороздок на поверхности реза могут быть такие процессы, как циклический характер распространения фронта реза вследствие циклического характера процессов окисления, нестационарный характер удаления расплава с фронта реза, неустойчивости течения расплава, включая образование гребней и срыв капель, возмущения течения расплава, возникающие под влиянием отрывных течений и вихрей в газовом потоке, термокапил-

лярные движения расплава. Несмотря на большое количество теоретических и экспериментальных исследований, полная физическая картина образования рельефа поверхности реза к настоящему времени не построена. В настоящей работе экспериментальное исследование зависимости шероховатости поверхности от параметров резки проводилось с использованием обобщенных безразмерных переменных, аналогично тому, как это делается при анализе сложных физических систем методом подобия. В качестве обобщённых переменных выбраны безразмерная мощность Q, Q = W/ktTm, и число Пекле Ре, Ре = vb/y, , а также масштабный фактор b/t, здесь Ъ - ширина реза, к, у, Тт - соответственно, теплопроводность, температуропроводность и температура плавления разрезаемого материала. Через переменные W/ktT, vxly выражается распределение температуры в однородной сплошной среде, создаваемое движущимся линейным источником тепла (нагретая нить в потоке жидкости или газа) с линейной плотностью мощности Wit [11]. Приближение линейного теплового источника используется в простых моделях лазерной резки. Через переменные Q, Ре может быть выражен баланс мощности лазерно-кислородной резки, включающий мощность лазерного излучения, мощность, выделяющуюся при экзотермической реакции окисления железа, мощность, затрачиваемую на нагрев и плавление удаляемой части материала, и мощность потерь вследствие отвода тепла в материал из зоны реза за счёт теплопроводности [12]. Зависимость шероховатости от обобщенных переменных символически выражается следующим образом:

RZ//=F(Q, Ре, b/t). (2)

В задачу экспериментального исследования входит поиск ответов на вопросы: описывают ли переменные Q и Ре экспериментальные данные, полученные при условии минимума шероховатости, и каков вид функции в соотношении (2)?

В экспериментах использовался С02-лазер с СФР Сибирь-1, описанный в главе 3. Лазерная резка производилась традиционным способом. Лазерный луч с круговой поляризацией фокусировался ZnSe линзой, струя кислорода чистотой 99.999% (объёмная доля 02) создавалась при помощи конического сопла. Разрезались листы стали СтЗпс толщиной 5, 10, 16, 20 и 25 мм. Для каждой толщины выбирался ряд значений лазерной мощности. При каждом значении мощности производились прямые резы при различной скорости и при разном положении перетяжки пучка по отношению к поверхности листа, и определялись значения скорости резки и ширины реза, при которых шероховатость поверхности имеет минимум. Шероховатость поверхности Rz измерялась при помощи лазерного конфокального сканирующего микроскопа Olympus LEXT и профилометра. Измерения производились в двух сечениях - на расстоянии 1/3 и 2/3 от верхней поверхности реза. Для характеристики данного образца выбиралась максимальная из двух величин. Ширина реза измерялась при помощи измерительного микроскопа УИМ-23.

Результаты оптимизации для всего диапазона толщин представлены на рис. 10 в координатах v, а на рис. 11 - те же данные, но в безразмерных координатах №/1аТт, \'Ь/у, теплофизические параметры взяты для чистого железа при нормальных условиях. Для всех толщин от 5 до 25 мм диапазон мощностей, при котором производилась резка, составляет от 0,37 до 4,5 кВт, оптимальная скорость резки находится при этом в диапазоне от 0,7 до 40 мм/с. В координатах \У!к1Тт, уЬ/у все точки описываются одной зависимостью, которая

40-

35-

30-

25-

о

20-

> 15-

10-

5-

0-

2 3

кВт

Толщина листа

* - 5 мм

* - 10 мм

* - 16 мм х - 20 мм ■ - 25 мм

Рис. 10. Оптимальная скорость V резки при различной мощности ^излучения и различной

толщине I листа.

ММТт

Рис. 11. Зависимость между безразмерными переменными \¥1ШТт, \'Ыу при условии минимума шероховатости.

близка к линейной. Отсюда следует, что во всем диапазоне толщин остается постоянной величина Е = которая равна 19,4 Вт/мм3. Величина Е пред-

ставляет собой лазерную энергию, вложенную в единицу объёма удаляемого материала (при прямых стенках реза и коэффициенте поглощения излучения, равном единице). Связь между безразмерными параметрами может быть записана следующим образом:

+ (3)

где БГ = Ьт/сТт - число Стефана, Ьт - удельная теплота плавления материала, с - удельная теплоёмкость, Ет = р(сТт + Ьт) - энергия, необходимая для нагрева и плавления единицы объёма удаляемого материала.

Зависимость на рис. 11 дает скорость резки, соответствующую минимуму шероховатости при данной толщине и мощности излучения. Для каждой толщины шероховатость зависит от мощности. Эта зависимость, согласно результатам экспериментов, имеет минимум, как то показано на рис. 12 для 1=10 мм. Зависимости от V и IV дана в безразмерных координатах 1¥/ИТт, \Ыу.

t = 10 мм

YV/ktTi

Рис. 12. Зависимость шероховатости поверхности реза от мощности излучения и скорости резки в безразмерных координатах Ре при 1= 10 мм.

Величины Wit, соответствующие минимуму зависимости RZ(W) для разных толщин, представлены в табл. 2. Видно, что во всем диапазоне толщин минимум достигается при близких значениях величины W/t. Отсюда следует, что для всех толщин оптимальные значения W/t, vb приблизительно равны. Среднее для всех толщин значение W/t равно 194 Вт/мм. Этому соответствует оптимальная

Таблица 2

t, мм 5 10 16 20 25

W/t, Вт/мм 220 180 190 200 180

величина vb = 10,8 мм2/с, и условия резки с минимальной шероховатостью записываются следующим образом:

W/t= 194 Вт/мм (4)

vb = 10,8 мм2/с (5)

Условия в безразмерном виде выглядят следующим образом:

Q = W/ktTm = 1,6 (6)

Ре = vb/y = 0,5. (7)

Известно, что качественная лазерная резка имеет место в ограниченном диапазоне чисел Пекле [1]. В [1] сообщается о возможности существования оптимального числа Пекле. В настоящей работе существование оптимального числа Пекле экспериментально обосновано и найдена его величина, соответствующая однозначному количественному критерию качества реза.

Условия качественной резки для практического использования должны быть выражены через исходные (задаваемые) параметры. Ширина реза b не является исходной величиной при лазерной резке. Как следует из полученных экспериментальных данных, зависимость ширины b реза от толщины t листа при условии минимума шероховатости хорошо апроксимируется линейной зависимостью, b = 0,35 + 0,02t (but измеряются в миллиметрах). Исключив из (5) ширину реза, можно записать для резки с минимальной шероховатостью следующее соотношение, связывающие только исходные параметры v[mm/c] и

t[mm]:

v= 10,8/(0,35+ 0,020. (8)

Условие (8) связывает оптимальную скорость резки с толщиной разрезаемого листа, а условие (4) даёт соответствующую оптимальную величину мощности лазерного излучения. В условие W/t = const входит только мощность W лазерного излучения. Очевидно, что скорость резки определяется полным балансом энергии, который включает также энергию экзотермической реакции окисления железа и потери энергии из зоны реза на нагрев образца.

Энергетический баланс лазерно-кислородной резки исследовался при оптимальных условиях, то есть, при минимальной шероховатости поверхности реза.

Баланс мощности записывается следующим образом [12]:

. AW + Wox = Wm + Wcond (9)

где А - коэффициент поглощения лазерного излучения в канале реза, JV0X -мощность, выделяющаяся в результате реакции окисления, Wm - мощность,

затрачиваемая на нагрев и плавление удаляемого из канала реза материала, ^сот!_ мощность, отводимая из зоны реза в материал за счет теплопроводности.

Была принята следующая методика определения компонент энергетического баланса: величины А, 1Ут, ЖС0П(] измерялись экспериментально, а величина Жох вычислялась из уравнения баланса (9).

Лазерные резы выполнялись на том же оборудовании, что и эксперименты по оптимизации. Разрезались листы низкоуглеродистой стали СтЗ толщиной 5, 10, 16, мм. Мощность IV излучения и скорость V резки для каждой толщины выбирались из ранее установленных критериев получения минимальной шероховатости поверхности реза.

Потери мощности №сопЛ за счет теплопроводности измерялись калориметрически [13]. От полосы стали толщиной / отрезался прямоугольный образец, фиксировалось время резки. Ширина образца выбиралась такой, чтобы за время резки не происходило «запирания» тепла в узком образце.

Коэффициент поглощения излучения в канале реза измерялся в процессе резки как разность между мощностью перед фокусирующей линзой и мощностью, прошедшей через канал реза. Под коэффициентом поглощения здесь понимается интегральный коэффициент, когда учитывается также мощность, поглощённая при возможных многократных отражениях от фронта и стенок реза В эксперименте использовался измеритель мощности ОРНШ. 5000\У-САЬ-5Н. По результатам измерений, при О 5 мм величина А слабо зависит от / и имеет тенденцию к насыщению.

Мощность, расходуемая на нагрев и плавление удаляемой из канала реза части материала определялась из соотношения \Ут = 1ЧЬр[сЛТ + 1,„], здесьр, С, ¿ш - плотность, удельная теплоёмкость и удельная теплота плавления материала. Затем из (9) определялась величина 1¥ох.

На рис. 13 представлены компоненты энергетического баланса, отнесённые к толщине разрезаемого листа. С погрешностью не более чем ± 7 % каждое из отношений вида \У„Н остаётся постоянным, при этом толщина листа изменяется в 3 раза. Это даёт основание говорить о приближенном подобии тепловых потоков на фронте реза при условии выбора параметров резки, соответствующих минимуму шероховатости Следует отметить, что все составляющие баланса (8) имеют приблизительно равную величину.

Полученный результат позволяет объяснить тот факт, что в условия (4), (6) входит только мощность IV лазерного излучения. Можно записать следующее соотношение для энергии Е лазерного излучения, вложенной в единицу объёма удаляемого материала с учётом (9) и соотношения для величины Ет:

В условиях резки с максимальным качеством (с минимальной шероховатостью) отношения входящих в (10) компонент энергетического баланса остаются постоянным при изменении толщины разрезаемого листа. Поскольку A const, из (9) следует Е const, что и наблюдается в эксперименте.

Полученные результаты позволяет предложить критерий для определения предельной толщины, при которой возможна резка с максимальным качеством. Известно, что если скорость резки становится меньше некоторой критической величины ус, шероховатость поверхности значительно возрастает из-за перегрева материала и перехода к неуправляемому распространению волны горении в боковом направлении. В экспериментах по поиску условий качественного реза неуправляемый режим резки возникал при скоростях менее 0,4 м/мин, или 6,7 мм/с. На рис. 14 показана зависимость оптимальной мощности излучения и оптимальной скорости резки уор[ от толщины ? разрезаемого листа, здесь же горизонтальными линиями отмечена характерная величина критической скорости Для достижения высокого качества (низкой шероховатости) реза найденная в настоящей работе оптимальная скорость уор4 должна превышать нижнюю критическую скорость ус, должно

160-

120

«Г

е

5

80-

40

■ - АУУ

о - wox

X

▼ ^сопс!

0 2 4 6 8 10 12 14 16 I, ММ

Рис. 13. Величины компонент баланса мощности, отнесённые к единице толщины листа.

30 40 I, мм

Рис. 14. Зависимость оптимальной мощности излучения \Vopt и оптимальной скорости резки у0Р1 от толщины I разрезаемого листа. Штриховые лини соответствуют скоростям у„р,± 0,1 Уор|.

выполняться условие гор( > ус. Если в качестве нижней критической скорости принять величину б,5...7,5 мм/с, то, согласно (8), условие будет выполняться при толщине листа не более 40...50 мм.

При лазерно-кислородной резке низкоуглеродистой стали следует считать проблематичным достижение высокого качества реза, если толщина листа превышает 40...50 мм. Такой вывод согласуется с известными экспериментальным и практическим данным. Современные комплексы для лазерной резки позволяют качественно разрезать низкоуглеродистые и слаболегированные стали при толщине листа до 25...30 мм [14]. При большей толщине целесообразно применять кислородную резку с поддержкой лазерным излучением (экспериментальная реализация и характеристики реза представлены в главе 4).

В главе 5 также обсуждаются механизмы образования шероховатостей при лазерно-кислородной резке. Фотография поверхности реза при толщине листа 16 мм показана на рис. 15. Представлены результаты исследования поверхности реза под микроскопом. Основным механизмом формирования рельефа в верхней части реза является циклический характер распространения фронта горения железа в кислороде, а неоднородности в нижней части связаны преимущественно с гидродинамическими процессами при течении расплава. Отмечена характерная особенность - наличие круглых частиц на поверхности и в толще окисной плёнки на боковой поверхности реза. Количество частиц на

Рис. 15. Поверхность образца резки излучением СОг-лазера с СФР. Материал - сталь СтЗпс, толщина листа - 16 мм.

а б

Рис. 16. Фотографии поверхности реза при лазерно-кислородной резке листов низкоуглеродистой стали толщиной 20 мм (а) и 10 мм (б).

единицу площади возрастает с толщиной листа, а для данной толщины возрастает в направлении от верхней части реза к нижней. Частицы видны на фотографиях поверхности реза, приведённых на рис. 16. Показаны участки поверхности на расстоянии приблизительно одной трети толщины листа от нижней поверхности листа. Характерный размер частиц при толщине листа 16 мм и оптимальных условиях резки равен 5...20 мкм в верхней части реза, и 10...50 мкм - нижней части.

Частицы идентифицированы как капли, которые оторвались от поверхности текущего расплава, затвердели при движении в потоке газа, а затем вновь попали на жидкую плёнку расплава. При попадании частиц на боковой поверхности реза возникают пространственные неоднородности, дефекты. Механизмы образования дефектов могут быть различными. Наблюдаются три типа дефектов. 1. Частица выступает над поверхностью затвердевшего расплава. 2. Попавшая в расплав частица возмущает течение расплава, и при затвердевании расплава образуются кратеры, бугры. 3. Частица касается поверхности затвердевающего расплава, но не остаётся в расплаве, а оставляет след, борозду. Вклад названных дефектов в формирование поверхности реза возрастает с толщиной листа.

В Приложении 1 дан вывод формул для расчёта наклона оси и смещения пятен при наклоне зеркал резонатора.

В Приложении 2 описаны автоматизированные лазерные технологические комплексы (АЛТК) для резки листовых материалов на основе С02-лазеров с СФР, даны фотографии комплексов. Представлены копии документов об использовании результатов работы. Фотография АЛТК приведена на рис. 17.

Рис. 17. АЛТК на основе ССЬ-лазера с СФР мощностью 6 кВт на лазерно-технологическом

участке в ИТПМ СО РАН.

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

1. Для лазерно-кислородной резки низкоуглеродистой стали найдены соотношения подобия, связывающие параметры резки с толщиной разрезаемого листа при условии минимальной шероховатости поверхности реза в диапазоне толщин 5...25 мм. Экспериментальным путём установлено, что минимальная шероховатость достигается при оптимальных значениях безразмерной мощности излучения 1У/к1Тт и числа Пекле \Ыу, которые равны, соответственно, 1,5... 1,7 и 0,5...0,6. При этом во всём диапазоне толщин остаётся постоянной величина вклада лазерной энергии в единицу объема удаляемого материала, она равна (18...20) Дж/мм3.

2. Измерен баланс энергии и определён термический КПД лазерно-кислородной резки при минимальной шероховатости поверхности реза. Установлено, что тепловые потоки, составляющие баланс энергии на фронте реза, а именно: А ]№-поглощённая лазерная мощность, (Уох - мощность, выделяемая при окислении железа, - мощность, теряемая на нагрев образца н 1¥т- мощность, затрачиваемая на нагрев и плавление удаляемого материала, изменяются при изменении толщины / таким образом, что величины АIV/!, №0ХИ, WJt остаются постоянными.

3. На основе найденных оптимальных значений обобщенных безразмерных параметров предложены простые соотношения для определения мощности излучения и скорости резки, при которых рез имеет минимальную шероховатость. Согласно оценкам, сделанным с использованием предложенных соотношений, высокое качество реза достижимо при толщине листов не более 40.. .50 мм.

4. При использовании С02-лазера с самофильтрующим резонатором (СФР) экспериментально реализована кислородная резка низкоуглеродистой стали с поддержкой лазерным излучением. Продемонстрирована качественная резка листов толщиной от 20 до 50 мм без грата и с малой шероховатостью поверхности реза, определены оптимальные параметры резки.

5. Обоснована возможность значительного (в 3...5 раз) повышения яркости излучения С02-лазера непрерывного действия при использования СФР вместо традиционных устойчивого или неустойчивого лазерных резонаторов. Расчётным путём найдены пространственные характеристики выходного пучка СФР и оптимальные параметры резонатора. Определена область рабочих параметров СФР и разработаны рекомендации по инженерному проектированию СФР в технологических С02-лазерах.

6. Впервые создан технологический С02-лазер непрерывного действия мощностью 8 кВт с качеством пучка на уровне основной гауссовой моды устойчивого резонатора. Измеренный параметр К качества пучка равен 0,66 при числе Френеля резонатора 6,4. Показано, что возможным является создание непрерывных С02-лазеров с СФР уровня мощности до 15 кВт при значениях параметров резонатора, обеспечивающих высокое качество излучения.

7. Экспериментально продемонстрирована возможность использования С02-лазера с самофильтрующим резонатором для качественной резки низкоуглеродистой и коррозионно-стойкой стали без пространственной фильтрации излучения.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Голубев B.C. Механизмы удаления расплава при лазерной резке материалов // Глубокое каналирование и филаментация мощного лазерного излучения в вещество / Ред. В.Я. Панченко. М: Интерконтакт-наука, 2009. С. 102-143.

2. Gross M. Comprehensive Numerical Simulation of Laser Material Processing // Theory of Laser Material Processing / Ed. J. Dowden Dordrecht: Springer, 2009. P. 339-380.

3. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и лазерные пучки. М.: Наука, 1990. 264 с.

4. Gobhi P.O., Reali G.C. A novel unstable resonator configuration with a self-filtering aperture // Optics communications. 1984. V. 52. No 3. P. 195-198.

5. Siegman A. E. Performance limitations of the self-filtering unstable resonator // Optics Communications. 1992. V. 88, Issues 4-6. P. 295-297

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

7. Булышев A.E., Ведерников Ю.А., Преображенский Н.Г. К расчёту характеристик лазерного резонатора // Квантовая электроника. 1980. Т. 7, № 5. С. 1093.

8. Технологические лазеры: Справочник / Ред. Г.А. Абильсиитов. Т. 1. М.: Машиностроение, 1991. 432 с.

9. Takhasaki T., Kakisaki К., Sasaki N., Sakuma J. 10 kW C02-laser for material processing // Proc. SPIE. 1986. V. 610. P. 50.

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

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

12. LIA Handbook of Laser Material Processing. Ed. Ready J.F. Orlando: LLA Magnolia Publishing Inc, 2001. 715 p.

13. Карасёв В.А., Голубев B.C., Филиппова E.O. Термический КПД и эффективный коэффициент поглощения лазерного излучения при газолазерной резке низкоуглеродистой стали в струе азота и воздуха // Физика и химия обработки материалов. 2009. N 6. С. 72-77.

14. Powell J. LIA Guide to Laser Cutting // Orlando: Laser Institute of America, 2008. 104 p.

15. Schlueter H. Advances in industrial high power lasers // Proc. SPIE. 2005. V. 5777. P. 8-15.

16. Rofin. Products. Rofin DC Series //URL: http://www.rofin.com/en/

products/co2_lasers/slab_laser/dc_series/ (дата обращения 01.03.2010).

17. Laser Technology. Products. TruFlow // URL: http://www.trumpf-aser.com/en/ products/cosub2sub-lasers/flow-lasers.html (дата обращения 01.03.2010).

18. Малов A.H., Оришич A.M., Фомин В.М., Внучков Д.А., Наливайченко Д.Г., Чиркашенко В.Ф. Исследование структуры сверхзвуковых течений воздуха с подводом энергии от квазистационарного оптического разряда // Известия Томского политехнического университета. 2010. Т. 317. № 4. С. 155-160.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Иванченко А.И., Крашенинников В.В., Пономаренко А.Г., Шулятьев В.Б. Самофильтрующий резонатор в С02-лазере непрерывного действия // Квантовая электроника. 1989. Т. 16. № 2. С. 305-307.

2. Иванченко А.И., Крашенинников В.В., Смирнов А.Л., Шулятьев В.Б. Технологический СОг-лазер мощностью 3 кВт с высоким качеством излучения // Квантовая электроника. 1994. Т. 21. № 7. С. 643-646.

3. 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 С02-лазере мощностью 8 кВт // Квантовая электроника. 2004. Т. 34. № 4. С.307-310.

4. Грачёв Г.Н., Иванченко А.И., Смирнов А.Л., Шулятьев В.Б. Неустойчивый резонатор с пространственной фильтрацией излучения в технологическом С02-лазере//Квантовая электроника. 1991. Т. 18. № 1. С. 131-133.

5. Зайцев A.B., Ковалев О.Б., Оришич A.M., Фомин В.М., Шулятьев В.Б. Газодинамика лазерной резки толстолистовых металлических пластин непрерывным С02-лазером // Вычислительные технологии. 2006. Т. 11, часть 1. Специальный выпуск. С.74-83.

6. Зайцев A.B., 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. № 9. С. 891-893.

7. Данилов В.И., Зуев Л.Б., Кузнецова Н.И., Малов А.Н., Оришич A.M., Фомин В.М., Шулятьев В.Б. Особенности лазерной резки листовой стали и мониторинг качества образцов после лазерного воздействия // Прикладная механика и техническая физика. 2006. Т. 47. №4. С. 176-184.

8. Маликов А.Г., Оришич A.M., Шулятьев В.Б. Резка металлов излучением С02-лазера с самофильтрующим резонатором // Квантовая электроника. 2009. Т. 39. №2. С. 191-196.

9. 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.

10. Фомин В.М., Маликов А.Г., Оришич A.M., Шулятьев В.Б. О законах подобия газолазерной резки толстых стальных листов // Докл. РАН. Физика. 2009. Т. 428. № 3. С. 325-329.

11. Фомин В.М., Маликов А.Г., Оришич A.M., Шулятьев В.Б. Подобие тепловых потоков при лазерно-кислородной резке стали // Докл. РАН. Физика. 2011. Т. 436. №2. С. 1-4.

12. Фомин В. М., Маликов А. Г., Оришич А. М., Шулятьев В. Б. Энергетические условия газолазерной резки толстых стальных листов // Прикладная механика и техническая физика. 2011. Т. 52. № 3. С. 16-25.

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

14. Шепеленко А.А., Шулятьев В.Б. Измерение расходимости излучения С02-лазеров // Приборы и техника эксперимента. 1985. № 5. С. 157-158.

15. Патент на изобретение 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. // Бюллетень: Изобретения. Полезные модели. 2009. № 9.

16. Патент на изобретения РФ № 2225782. Способ лазерной резки деталей из тонких листов / Шулятьев В.Б., Константинов С.А., Оришич A.M., Шиха-лев Э.Г., Иванченко А.И., Голышев А.П. // Бюллетень: Изобретения. Полезные модели. 2004. № 8. С. 693.

17. Патент на изобретение РФ № 1702842 Проточный газовый лазер / Иванченко А.И, Шулятьев В.Б. // Бюллетень: Изобретения. 1993. № 2. С.255.

18. 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.

19. Голов B.K., Иванченко А.И., Крашенинников B.B., Пономаренко А.Г., Шепеленко А.А., Шулятьев В.Б. Технологический С02-лазер мощностью 2,5 кВт // Известия СО АН СССР. Серия технических наук. 1986. № 10, вып. 2. С. 87-91.

20. Смирнов A.JI,, Шулятьев В.Б. Численное и экспериментальное исследование самофильтрующего неустойчивого резонатора применительно к проточному С02-лазеру // Моделирование в механике. Сб. науч. трудов. Новосибирск, ИТПМ СО АН СССР, 1988. Т. 2. № 6. С. 115-120.

21. Orishich A.M., Malikov A.G., Shulyatyev V.B., Grachev G.N., Statsenko P.A., Trashkeev S.I. C02 laser with self-filtering unstable resonator applied for cutting // 27th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics: Proceedings. Temecula, CA USA, 2008. P. 671-677

22. Orishich A. M., Malikov A. G., Shulyatyev V. B. Scaling Laws for the Reactive-gas Laser Cutting of Thick Steel Sheets // 28 International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics: Proceedings. Orlando, FL, USA, 2009.

P. 276-280.

23. Golishev A.P., Ivanchenko A.I., Orishich A.M., Shulyat'ev V.B.. Industrial C02-lasers of power up to 10 kW with high quality radiation // Proc. SPIE. 2001. V. 4184. P.415-418.

24. Малов A.H., Малов H.A., Оришич A.M., Шулятьев В.Б., Печурин В.А., Фи-лев В.Ф. Резка толстых металлических пластин излучением С02-лазера с самофильтрующим резонатором// 5 Международная конференция «Лазерные технологии и средства их реализации»: труды. С.-Петербург, 2003. С. 39-47.

25. Afonin Yu.V., Filev V.F., Fomin V.M., Golyshev A.P., Kovalev O.B., Malikov A.G., Orishich A.M, Prikhod'ko Y.M., Fomichev V.P., Shulyatyev V.B. Spacing saving electric-discharge C02 laser with a high (up to 14 kW) radiation power, with convective cooling of the working medium and gas pumping by an extended disk fan // Proc. SPIE. 2006. V. 6346. Pt. 1. P. 63461B-1.

26. Fomin V.M., Filev V.F., Pechurin V.A., Orishich A.M., Golyshev A.P., Malov A.N., Afonin Yu. V., Shulyatyev V.B. High power high beam quality industrial C02-lasers and material processing systems // XII International Conference on the Method of Aerophysical Research: Proceedings. Pt. III. Novosibirsk: Nonparel, 2004. P. 65-70.

27. Orishich A.M., Zaitsev A.V., Kovalev O.B., Malikov A.G., Shulyat'ev V.B., Yudin P.V. Laser-assisted oxygen cutting of thick steel plates in supersonic flow // XIII International Conference on the Methods of Aerophysical Research: Proceedings. Pt. V. Novosibirsk: Parallel, 2007. P. 120-124.

Ответственный за выпуск В.Б. Шулятьев

Подписано в печать 3.03.2011 Формат бумаги 60x84/16, Усл. печ. л. 1.5, Уч.-изд. л. 1.4, Тираж 130 экз.. Заказ № 6

Отпечатано в типографии ООО «Параллель» 630090, Новосибирск, Институтская, 4/1

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ ИМ. С.А. ХРИСТИАНОВИЧА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН

На правах рукописи

05201151 656

ШУЛЯТЬЕВ Виктор Борисович

резка толстых стальных листов излучением

со2-лазера

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор ОРИШИЧ Анатолий Митрофанович

Новосибирск - 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.....................................................................................4

Глава 1. Лазерные технологии и технологические С02-лазеры....................23

1.1. Лазерные технологии обработки материалов...................................23

1.2. Проблема качества излучения технологических лазеров.....................27

1.3. Общее устройство технологических С02-лазеров..............................41

1.4. Лазеры типа «ЛОК», «Сибирь», разработанные

вИТПМСО РАН..........................................................................50

Глава 2. Численное исследование СФР применительно к использованию в мощном непрерывном С02-лазере............................59

2.1. Самофильтрующий резонатор. Схема и основные свойства................59

2.2. Характеристики выходного пучка СФР..........................................64

2.3. Область рабочих параметров СФР в условиях проточного СОг-лазера и рекомендации по инженерному проектированию...................................73

2.4. Влияние наклона зеркал на характеристики пучка СФР.....................85

Глава 3. Технологические СОг-лазеры с СФР......................................96

3.1. Средства и методы измерения характеристик излучения.....................96

3.2. Конструктивные схемы и характеристики излучения

лазеров непрерывного действия с СФР...............................................102

3.3. Импульсно-периодический лазер с СФР для технологических и научных применений................................................................................118

3.4. Максимальная мощность непрерывных СОг-лазеров с СФР................126

Глава 4. Резка металлов излучением лазера с СФР...............................130

4.1. Лазерная резка. Обзор.............................................................130

4.2. Качество лазерного реза.......'.....................................................142

4.3. Постановка задачи. Оборудование для резки............. .....................155

4.4. Лазерно-кислородная резка....................... ................................168

4.5. Резка плавлением............................ .........................................179

4.6. Кислородная резка, поддерживаемая лазерным излучением...............190

Глава 5. Оптимизация лазерно-кислородной резки толстых стальных

листов........................................................................................203

5.1. Постановка задачи. Выбор обобщённых переменных.......................203

5.2. Экспериментальный поиск оптимальных параметров резки...............216

5.3. Баланс энергии при оптимальных параметрах резки.........................231

5.4. Результаты оптимизации и соотношения подобия...........................243

5.5. О механизмах образования неоднородностей поверхности реза.........248

Заключение...............................................................................263

Список литературы......................................................................265

Приложение 1. Смещение оси резонатора при наклоне зеркал..............^296

Приложение 2. Технологические комплексы для резки на основе С02-лазеров с СФР.......................................................................298

ВВЕДЕНИЕ

Лазерные технологии являются сравнительно новым классом промышленных технологий обработки материалов. Большинство лазерных технологий относится к классу термических - материал нагревается мощным лазерным излучением до температуры, при которой происходят структурные превращения или фазовые переходы - рекристаллизация, плавление, испарение. Пространственная когерентность лазерного излучения обуславливает малую угловую расходимостью, что позволяет сфокусировать пучок в пятно малых размеров. При этом происходит быстрый локальный нагрев материала. Лазерные технологии характеризуются малой зоной термического воздействия и высокой скоростью обработки, в чем и состоит их особенность в сравнении с другими термическими технологиями, такими, как плазменные и газопламенные. Ряд лазерных технологий, как резка, сварка, гравировка, уже успешно применяются. Другие, например, ударное упрочнение, поверхностная аморфизация, находятся на стадии исследований и разработок [1].

Промышленное использование лазеров началось в середине шестидесятых годов XX в., приблизительно через пять лет после появления первого лазера. Первой технологической операцией была пробивка отверстий, для, чего использовался импульсный рубиновый лазер [1]. Первый лазерный рез был сделан в Великобритании в 1967 г [2]. Стальная пластина толщиной 1 мм разрезалась при помощи луча СОг-лазера мощностью 300 Вт в коаксиальной струе кислорода. Приблизительно в то же время газолазерная резка была продемонстрирована в Японии и Германии [1]. В последующие годы возрастало применение лазерной резки в различных отраслях, интенсивно исследовались физические механизмы образования лазерного реза. Основополагающие работы по развитию лазерных технологий, в том числе технологий лазерной резки выполнены

такими авторами, как A.A. Веденов, Г.Г. Гладуш, H.H. Рыкалин, B.C. Голубев, В.Г. Низьев, Н.К. Макашов, Г.Г. Григорьянц, Y. Arata, С. Magnusson, J. Powell, D. Schuocker, D. Petring, F. O. Olsen, W.M. Steen, W. O'Neil, W. Schulz, M. S. Gross, M. Vicanec, K. Chen. Обзоры исследований по лазерной резке представлены в [1, 5, 16, 18, 22, 45, 51, 159-161, 164].

Актуальность темы

В настоящее время лазерная резка является одной из самых массовых технологий лазерной обработки материалов и продолжает развиваться, а, мощные С02-лазеры непрерывного действия составляют большинство среди лазеров, применяемых для резки. Развитие лазерной резки происходит по двум связанным между собой направлениям. Первое направление -совершенствование технологических лазеров (как и другого необходимого для резки оборудования), повышение их мощности. Большая мощность позволяет достичь большей производительности процесса — большей скорости резки и/или большей толщины разрезаемых листов. Второе направление - развитие технологий лазерной резки, проведение исследований и разработок, направленных на достижение высокого качества реза при высокой производительности. Ниже дана характеристика возникающих при этом проблем.

Лазерная обработка производится сфокусированным пучком, и определяющим параметром лазерных технологий является интенсивность излучения в фокальном пятне. Каждый вид лазерной обработки выполняется в определенном диапазоне интенсивностей излучения на обрабатываемой детали. Поэтому важнейшей характеристикой лазерного пучка наряду с мощностью является его способность фокусироваться в компактное пятно малых размеров, которая определяется таким параметром как качество пучка. Качество пучка тем выше, чем ближе расходимость излучения к принципиальному пределу, определяемому дифракцией. При

дифракционной расходимости излучения размер фокального пятна будет минимальным для данной длины волны. Для проведения качественной резки металлов с использованием С02-лазера необходима интенсивность

7 8 ^

излучения до 10 - 10 Вт/см" в пятне диаметром 0,1 - 0,2 мм в непрерывном режиме. Для достижения этих параметров необходимо, чтобы расходимость излучения была близка к дифракционному пределу. Близкие требования к лазерному пучку предъявляет и лазерная сварка.

Применительно к лазерной обработке наибольшая потребность существовала и продолжает существовать в мощных лазерах с высоким качеством излучения. Во-первых, наиболее распространенным видом лазерной обработки является резка, для которой требуется излучение высокого качества. Во-вторых, лазер с расходимостью излучения, близкой к дифракционному пределу, универсален. Он обеспечивает качественную резку и сварку, в то же время, он применим и для других операций, с менее жёсткими требованиям к пространственным характеристикам лазерного пучка. Следует сказать, что обработка материалов является основной, но не единственной областью применения мощных С02-лазеров с высоким качеством пучка. Такие лазеры применяются и в научных исследованиях, например, для создания оптических разрядов как локализованных источников тепла в газодинамике [219, 221].

При получении уже первого опыта практического применения технологических лазеров сформировалось основное направление их совершенствования — повышение мощности при сохранении высокого качества пучка. Возникающая здесь проблема связана с тем, что для самого распространённого двухзеркального устойчивого резонатора (а такие резонаторы применялись и продолжают применяться в большинстве промышленных технологических ССЬ-лазеров), требования высокой мощности и высокого качества пучка являются противоречивыми. Для повышения мощности необходимо повышать объем активной среды и,

>

соответственно, апертуру и число Френеля резонатора. При числе Френеля, превышающем приблизительно единицу, возникает многомодовая генерация, и качество пучка ухудшается [3, 4]. Применение в мощных непрерывных С02-лазерах обычных неустойчивых лазерных резонаторов из полностью отражающих зеркал [3] позволяет повысить качество пучка при больших числах Френеля по сравнению с многомодовыми устойчивыми резонаторами. Но качество пучка остаётся всё же недостаточно высоким для использования лазеров с неустойчивым резонатором в системах лазерной резки металлов.

Настоящая работы была начата в середине 80-х годов XX в.(первая публикация по теме диссертации вышла в 1988 г, [145]), в это время мощность технологических С02-лазеров, генерирующих на низшей поперечной моде резонатора, не превышала 3 кВт [45]. В то же время, уже отчетливо сформировалась потребность в лазерах с высоким- качеством излучения большей мощности. Отсюда вытекает актуальность исследований и разработок, направленных на создание оптического резонатора, который позволял бы генерировать в непрерывных С02-лазерах излучение с расходимостью, близкой к дифракционному пределу, при числе Френеля резонатора, значительно превышающем единицу, и мощности излучения 5 кВт и более.

Другая важная проблема лазерной резки связана с прогнозированием результатов резки (в том числе — показателей качества реза, таких как шероховатость поверхности реза, форма кромок и других) по заданным исходным параметрам, или наоборот, определения оптимальных параметров (мощности излучения, скорости резки), исходя из заданных характеристик реза. Несмотря на большой объём проведённых теоретических и экспериментальных исследований [51, 160, 164, 179-180, 250], к настоящему времени отсутствует полная и взаимосвязанная физическая картина образования лазерного реза. Связано это, прежде всего, с многообразием и

сложным взаимодействием протекающих при лазерной резке физических процессов - оптических, тепловых, химических, гидродинамических. При численном моделировании приходится решать целый ряд сопряжённых задач, и при учёте всех значимых факторов задача требует слишком

1

больших вычислительных ресурсов [192, 204]. Теоретические исследования касаются, как правило, какого-то одного процесса, или проводятся на упрощённой модели. Такой подход позволяет продвинуться в понимании физических механизмов, но он не может быть надежной основой для оптимизации, процесса лазерной резки, например, для предсказания- того, как будут меняться оптимальные с точки зрения качества реза параметры резки с толщиной разрезаемого листа.

Экспериментальное исследование лазерной резки затруднено сложностью наблюдения за процессами в канале лазерного реза шириной 0,1-1 мм при толщине листа 1-30 мм, при наличии мощного лазерного излучения, потока химически активного газа, движущейся пленки расплава.

При отсутствии моделей, дающих количественное описание лазерной резки с учётом качества реза, эмпирический метод определения оптимальных параметров резки остаётся самым надёжным и распространённым. По этой причине становится актуальным поиск эмпирических закономерностей получения качественного реза. Важной частью этой общей задачи является поиск обобщённых переменных, описывающих получение качественного реза. Соответствующие экспериментальные исследования должны иметь комплексный характер и проводиться в широком диапазоне параметров на одном лазерном технологическом оборудовании, при этом должно быть максимальным образом исключено влияние технических факторов (таких, как разброс характеристик материалов, стабильность параметров оборудования). Необходимо заметить, что при использовании для решения этой задачи лазера с устойчивым резонатором возникает проблема обеспечения

стабильности модового состава излучения и исключения его влияния на результат резки, так как модовый состав и качество пучка могут изменяться при изменении мощности излучения. Таким образом разработка оптического резонатора, обеспечивающего генерацию излучения с высоким качеством и его стабильность в широком диапазоне мощности является актуальной и с точки зрения исследования закономерностей получения качественного реза.

К настоящему времени самым распространённым методом лазерной резки является газолазерная резка низкоуглеродистой стали с кислородом, или лазерно-кислородная резка. Имеется достаточно большой объём опубликованных экспериментальных данных по лазерно-кислородной резке, но они 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 известные результаты экспериментальных исследований часто содержат неполные наборы данных или получены при разных условиях.

Перечисленные выше актуальные проблемы определили цели работы.

Цели работы

1. Поиск закономерностей получения качественного реза и соотношений подобия для лазерно-кислородной резки стали при больших толщинах разрезаемых листов.

2. Разработка научных основ создания оптического резонатора для технологического СОг-лазера с высоким качеством излучения в широком диапазоне мощности.

В качестве объекта исследования по пункту 2 автором был выбран самофильтрующий резонатор (СФР) [6], относящийся к классу резонаторов с преобразованием Фурье [10], и ранее технологических С02-лазерах (и вообще в непрерывных лазерах) не использовавшийся.

При выполнении работы решались следующие задачи.

1. Поиск оптимальной конфигурации неустойчивого резонатора. Численное и экспериментальное обоснование возможности эффективного использования СФР в мощном непрерывном С02-лазере, определение оптимальной области рабочих параметров СФР.

2. Разработка научных основ проектирования и конструктивных схем СФР для технологических С02-лазеров с поперечным потоком. Создание лазеров с СФР и исследование их характеристик.

3. Исследование возможности качественной резки металлических материалов при помощи лазера С02-лазера с СФР без пространственной фильтрации излучения.

4. Экспериментальное исследование зависимости шероховатости поверхности от параметров процесса при лазерно-кислородной резке листов низкоуглеродистой стали в широком диапазоне толщин (5.. .25 мм).

5. Поиск эмпирических закономерностей лазерно-кислородной резки стали и условий получения минимальной шероховатости реза в виде соотношений между обобщёнными безразмерными переменными.

6. Практическая реализация полученных в работе результатов в создаваемых лазерных технологических комплексах для резки.

Научная новизна работы формулируются следующим образом.

1. Разработаны научные основы оптимизации процесса лазерной резки листов низкоуглеродистой стали толщиной 5...50 мм при использовании С02-лазера.

2. На основе детального экспериментального исследования установлено, что при лазерно-кислородной резке толстых (5...25 мм) листов низкоуглеродистой стали имеется минимум зависимости шероховатости поверхности реза от параметров резки. В пространстве обобщенных

безразмерных переменных минимум достигается при числе Пекле, равном 0,5...0,6.

3. Найдены энергетические условия образования качественного реза и соотношения подобия для лазерно-кислородной резки низкоуглеродистой стали при больших толщинах листов. Установлено, что существуют оптимальные значения лазерной энергии, вкладываемой в единицу объёма удаляемого материала, и мощности излучения, приходящейся на единицу толщины листа, при которых шероховатость поверхности реза минимальна.

4. Предложен и обоснован критерий определения максимальной толщины листа, при которой ещё может быть получено высокое качество реза при лазерно-кислородной резке стали. Предложены простые практические соотношения для расчёта оптимальных параметров резки по критерию минимума шероховатости.

5. Экспериментально реализована качественная резка низкоуглеродистой стали в сверхзвуковой струе кислорода с поддержкой лазерным излучением с применением С02-лазера с СФР. Для пласт�