Теоретическое и экспериментальное моделирование влияния окисления на эффективность кислородной газолазерной резки металла тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Ермолаев Григорий Викторович

Теоретическое и экспериментальное моделирование влияния окисления на эффективность кислородной газолазерной резки металла

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 9АГ1Р?пш

Новосибирск - 2010

004601758

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

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Ковалев Олег Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Третьяков Павел Константинович

кандидат физико-математических наук Якимов Михаил Юрьевич

Ведущая организация:

Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН

Защита состоится "21" мая 2010 г. в " 9 " часов на заседании диссертационного совета Д 003.035.02 в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская 4/1, ИТПМ СО РАН.

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

Автореферат разослан

апреля 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Засыпкин И.М.

Введение

Наиболее распространенной лазерной технологией в машиностроительных отраслях промышленности в настоящее время является лазерная резка металлических и неметаллических листовых материалов. Обширная номенклатура разрезаемых материалов, высокая скорость и точность обработки позволяют получать детали практически любой геометрической сложности с минимальными затратами. Наибольший объем лазерного раскроя среди металлов и сплавов приходится на низколегированные стали, применяющиеся в строительстве, машино- и приборостроении. Использование кислорода, в качестве вспомогательного газа, позволяет повысить эффективность резки этого типа материала, но вносит в процесс дополнительные особенности и ограничения нехарактерные для резки с использованием нейтрального газа.

При лазерной резке с кислородом сталь нагревается в пределах пятна излучения, вступает в экзотермическую реакцию, плавится и удаляется той же струей кислорода через образующийся разрез. На поверхности реза формируется шероховатость, отличающаяся от шероховатости, образующейся при резке с нейтральным газом. Стабильная лазерная резка стальных листов толщиной 16 мм и более осложнена проблемой значительного понижения качества поверхности. При низкой скорости резки ухудшение качества поверхности реза связано с неустойчивостью процесса горения металла и его переходом в неуправляемый режим с большой шириной реза и недопустимой шероховатостью. На поверхности реза появляются рытвины, бесформенные наросты, процесс переходит в так называемый автогенный режим. Процесс становится более устойчивым с повышением требований к параметрам излучения, чистоте используемого кислорода, состоянию поверхности листа и составу стали. При высокой скорости резки происходит нарушение выноса расплава из разреза, которое проявляется в зашлаковывании или заплавлении с образованием металлического грата.

Разнообразие и сложность физических процессов, имеющих место при лазерной резке с кислородом, затрудняют определение причин образования дефектов и существующих ограничений. Потребности производства и сложность физической картины явления, постоянно поддерживают высокую активность исследований в этом направлении. Теоретическому и экспериментальному исследованию процессов, сопровождающих лазерную резку металлов, посвящено большое количество оригинальных статей и монографий. Следует выделить работы A.A. Веденова, Г.Г. Гладуша, B.C. Голубева, А.Г. Григорьянца, Н.В. Карлова, H.A. Кириченко, Б.С. Лукьянчука, Н. К. Макашова, К. Chen, S.L. Chen, J. Duan, J.Т. Gabzdyl, A.A. Kaplan, I. Miamoto, W. O'Neill, J. Powell, D. Petring, W.M. Steen, Y.L. Yao. В них создана качественная теория образования шероховатости поверхности за счет протекания химических реакций на фронте реза, теория взаимодействия излучения с металлами и их оксидами, проведен аналитический и численный анализ устойчивости движения пленки расплава, течения и диффузии вспомогательного кислорода, накоплен большой объем экспериментальных данных. Однако, в настоящее время, математические модели

многих физических процессов остаются слабо изученными и недостаточно согласованными. Экзотермические окислительные реакции зачастую описываются исходя из общих соображений, не учитывающих особенностей высокотемпературного взаимодействия железа в высокоскоростном потоке кислорода. В связи с этим необходимо создание адекватных практике физико-химических и математических моделей для описания процессов сопровождающих кислородную газолазерную резку толстолистовых материалов.

Цели работы

1. Изучить особенности протекания химических реакций, определяющих эффективность и качество лазерной резки низколегированной стали с кислородом

2. Провести анализ эффективности использования при лазерной резке газовых смесей на основе кислорода с примесью нейтрального газа или воздуха.

3. Разработать методы аналитического расчета геометрии сверхзвуковых сопел для гибридной кислородно-лазерной резки толстолистовой стали на автоматизированном лазерном технологическом комплексе (АЛТК).

4. Разработать физико-математическую модель образования бороздчатой шероховатости за счет циклов лазерно-индуцированного горения железа в потоке кислорода.

Научная новизна

Новыми научными результатами диссертационной работы являются:

1. Разработана гетерогенная модель физико-химических процессов реакционного взаимодействия железа с потоком кислорода на фронте реза при лазерной резке низколегированной стали.

2. Обнаружены газодинамические псевдоскачки, препятствующие процессу удаления расплава при гибридной кислородно-лазерной резке и предложены способы их устранения.

3. Разработана аналитическая методика расчета геометрии конфузор-но-диффузорных сопел для резки толстолистовой стали гибридным кислородно-лазерным методом, позволяющая по заданной толщине листа и ширине реза определить диапазон рабочего давления кислорода, критический и выходной диаметры сопла.

4. Разработана модель образования шероховатости поверхности реза за счет циклов несамостоятельного горения при кислородной газолазерной резке низколегированной стали. В результате численного моделирования впервые рассчитана трехмерная форма шероховатости и исследована её динамика в зависимости от скорости резки, чистоты кислорода и толщины стекающей пленки образующегося оксида железа.

Практическая значимость

Предложена методика расчета геометрии газового сопла и рабочих параметров для резки стальных листов гибридным кислородно-лазерным способом. Методика позволяет по заданной толщине материала осуществить выбор

диапазона рабочих давлений кислорода в форкамере, скорости резки и параметров геометрии сверхзвукового конфузорно-диффузорного сопла.

Получены образцы резки стальных листов с хорошим качеством (1{х <25 мкм) толщиной от 16 до 30 мм, скоростью 0.25-0.45 м/мин с использованием С02 лазера мощностью 1.2 кВт и расходом кислорода, близким по величине к традиционной кислородной газолазерной резке низкоуглеродистой стали.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов и выводов обоснована сравнением с экспериментальными и расчетными результатами других авторов.

Методика расчета параметров гибридной резки подтверждена результатами натурных экспериментов на АЛТК.

Результаты численного моделирования образования, формы и динамики шероховатости согласуются с экспериментальными данными, а также данными скоростной киносъемки натурных экспериментов других авторов.

На защиту выносятся физические модели, математические постановки задач, а также результаты их аналитических и численных решений. К числу главных защищаемых результатов следует отнести:

- модель протекания экзотермической реакции при кислородной газолазерной резке, включающая: температурное начало интенсивной реакции, ее скорость и возможные режимы распространения;

- описание газодинамических эффектов, связанных с системой скачков на входе и выходе из канала реза, препятствующих резке гибридным методом, и пути их устранения;

- аналитическая методика расчета геометрии сверхзвукового сопла и диапазона рабочего давления кислорода для резки листов заданной толщины гибридным способом;

- постановка задачи о формировании шероховатости поверхности за счет циклов лазерноинициированного горения;

- результаты численного моделирования образования шероховатости в зависимости от параметров процесса, их анализ, а также сформулированные выводы и практические рекомендации.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах академика В.М. Фомина в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, а также на различных российских и международных конференциях: XI Всероссийская научная Конференция студентов-физиков и молодых ученых, Екатеринбург, 2005 г.; ХЫ и Х1ЛН Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2003 и 2005 г.; XII, XIII, XIV Международной конференции по методам аэрофизических исследований (1СМА11), Новосибирск, 2004, 2007 и 2008 г.; Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005», Москва, 2005 г.;

IV и VI международные конференции "Лучевые технологии и применение лазеров", Санкт-Петербург, 2004 и 2009 г.; Всероссийская конференция «Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва», Новосибирск, 2007 г.; Всероссийская молодёжная конференция "Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей", Новосибирск, 2008 г.; 27th International Congress on Applications of Lasers & Electro-optics., 2008, Temecula, CA, USA; III Всероссийская конференция «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалам в перспективных технологиях и медицине». Новосибирск 2009 г.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 5 статьях в рецензируемых журналах и 17 материалах всероссийских и международных конференций, получен один российский патент.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 125 страницах, содержит 43 рисунка и библиографию из 103 наименований.

Личный вклад автора

При выполнении работ по теме диссертации диссертант принимал активное участие в постановке задач, подготовке и проведении экспериментов, обработке и анализе экспериментальных данных, обсуждении результатов, подготовке печатных работ и докладов на конференциях. Основные результаты диссертации получены при непосредственном участии автора. Им реализованы численный алгоритм расчета формы шероховатости реза и произведены постановка и обработка данных всех приведенных в работе экспериментов. Результаты совместных работ представлены в диссертации с согласия соавторов.

Краткое содержание работы по главам В первом и втором параграфе первой главы содержится описание различных видов лазерной резки, основные технологические достижения, полученные на сегодняшний день, обсуждаются проблемы, которые возникают при переходе к резке толстых листов металла.

В третьем параграфе первой главы на основе анализа литературных данных формулируется физико-химическая модель реакционного взаимодействия железа с кислородом при кислородной газолазерной резке.

Железо в виде низколегированных сталей является наиболее распространенным конструкционным материалом. Рост толщины твердого слоя оксидов происходит по параболическому закону, и скорость реакции в этом случае мала. Считается, что при температуре выше 680 °С, главным образом, образуется оксид FeO- вюстит, основной реакцией при этом является:

. Fe + -02->Fe0 + 4,83 МДж/кг. (1)

Оксид БеО является веществом не стехиометрического состава и в твердом состоянии является ионным кристаллом. При плавлении, такие вещества образуют ионные жидкости, которые состоят из не связанных друг с другом катионов и анионов. Коэффициенты теплопроводности, электропроводности и диффузии вещества с таким строением в твердом и жидком состоянии могут отличаться на два и более порядка. Переход вюстита в жидкое состояние при 1640 К, что ниже температуры плавления железа равной 1810 К, приводит к значительному ускорению реакции.

Также скорость реакции лимитируется скоростью подвода газообразного кислорода к свободной поверхности жидкого окисла. При горении металлов в кислороде происходит связывание газообразного кислорода и уменьшение объема газовой фазы, что приводит к общему течению содержащей реагент смеси в направлении, нормальном к поверхности, на которой происходит реакция. Скорость реакции в этом случае описывается следующим образом и носит название стефановского потока:

, БМ Р0 . , 1-С ч

./0 =--— 1п(-) (2)

а дг0 1-сч

где БЬ- число Шервуда течения газа в канале, О - коэффициент диффузии в смеси газов, с/ - ширина канала реза, Я,Р0,Т0 - газовая постоянная (для кислорода 259,8 Дж/(кг-К)), давление и температура газа в канале, С,СЩ -

концентрация кислорода в ядре потока и равновесная концентрация кислорода у поверхности оксида. При концентрации кислорода в потоке близкой к единице большое влияние на скорость реакции оказывает содержание нейтральной примеси в смеси. Массовая скорость реакции составляет J0 =7.5 (кг/м2с) при параметрах течения газа в канале характерных для

кислородной лазерной резки и содержании кислорода в смеси 99.5 %.

Таким образом, лимитирующей фазой реакции является подвод кислорода из газовой струи к поверхности пленки оксида. Чувствительность реального процесса к чистоте кислорода, подтверждает приведенные оценки.

Один из механизмов образования шероховатости поверхности реза (рис. 1, а — е) связывают с движения фронта реза только под тепловым действием химической реакции. Тепловыделение химической реакции, рассчитанное по параметрам газовой струи, по формулам (1, 2), составляет /сь =2,13-108 Вт/м2, что сравнимо с тепловым потоком, создаваемым лазерным излучением на фронте реза при раскрое листов толщиной около 10 мм. Линейная скорость движения фронта горения в прогретом лазером металле может быть сравнимой со скоростью резки и даже превышать ее.

При высокой скорости резки превышающей линейную скорость движения фронта за счет горения, реализуется стационарный режим формирования канала (рис. 1, а), характеризующийся очень маленькой шероховатостью поверхности, образование которой не связано с протеканием экзотермической реакции. Если линейная скорость горения превышает скорость резки (рис. 1, б),

то инициированная лазерным лучом реакция отрывается от луча лазера (рис. 1, б), доходит до непрогретого материала (рис. 1, г, д), где прекращается из-за понижения температуры поверхности (рис. 1, е) далее цикл повторяется.

Теория теплового распространения гетерогенных экзотермических реакций позволяет качественно объяснить другой эффект, наблюдающийся при кислородной газолазерной резке (рис. 1, ж-и) - переход в автогенный режим формирования реза. Диаграмма H.H. Семенова для системы железо-кислород в условиях кислородной газолазерной резки показана на рис. 2. По вертикальной оси отложены интенсивности тепловых потоков на фронте химической реакции, по горизонтальной оси отложена температура на поверхности реакции. Прямые линии из группы I представляют собой тепловые потери от фронта реакции в массу образца за счет теплопроводности. Прямые линии а, Ь, с, d отвечают различным условиям лазерной резки. Кривые линии из группы II представляет собой интенсивность энерговыделения химической реакции. Роль лазера в этом рассмотрении сводится к начальному разогреву части поверхности фронта реза до температуры, превышающей температуру плавления оксида. При температуре поверхности ниже температуры плавления оксида тепловой эффект реакции мал. При температуре поверхности выше температуры плавления оксида тепловой эффект реакции зависит от скорости, давления и состава газа, кривые е, f.

В зависимости от взаимного расположения кривых го I и II группы возможны два варианта развития процесса горения. В первом случае, не пересекающихся кривых а и е, f, теплоотвод будет больше энерговыделения

ции.

А: стационарный режим, скорость резки больше линейной скорости горения, фронт реза связан с лазерным лучом.

Б- Е: Нестационарный режим. Скорость резки ниже линейной скорости горения. Формирование шероховатости из-за циклов несамостоятельного затухающего горения. Ж- И: Нестационарный режим, формирование канала реза при самостоятельном режиме горения. Пределы распространения реакции определяются границами кислородной струи. К: Схема стабилизации самостоятельного режима горения, применяется при кислородной резке с поддержкой лазерным лучом.

Рис. 2. Диаграмма H.H. Семенова для системы железо - кислородная струя

при всех температурах фронта реакции. Температура разогретой лазерным лучом поверхности постепенно падает, и реакция полностью прекращается в окрестностях точки инициирования.

Во втором режиме распространения фронта горения, соответствующем кривым d и е, f, существует стационарная температура поверхности, при которой кривые d и е пересекаются, т.е. тепловые потоки равны. В таких условиях реакция самопроизвольно распространяется по образцу, что соответствует переходу в автогенный режим реза.

В реальном процессе границы области распространения самоподдерживающейся реакции (рис. 1, ж-и) совпадают с границами струи кислорода, формируемой соплом (рис. 1, и). Так как скорость резки и горения не совпадают, то процесс носит ярко выраженный нестационарный характер, на поверхности реза образуются грубые рытвины и выступы материала. Технология гибридной кислородно-лазерной резки основана на том что, при определенных условиях минимального лазерного подогрева весь материал, взаимодействующий с кислородной струей, сгорает (рис. 1, к), что позволяет получать ровную поверхность реза толстого листа.

Таким образом, определена температурная граница начала интенсивной гетерогенной реакции окисления железа в кислороде и рассчитана её скорость. Показана энергетическая роль реакций окисления при резке листов различной толщины. Рассмотрены тепловые режимы распространения лазерно-инициированных реакций, позволившие объяснить особенности процессов при кислородной газолазерной резке металла.

Во второй главе приводится ряд моделей физических процессов, на основе которых делаются предположения о возможностях повышения эффективности лазерной резки. Осуществляется экспериментальная проверка высказанных предположений.

Первый параграф второй главы посвящен описанию устройства и базовых характеристик АЛТК «Сибирь-1», на котором осуществлялись все приведенные в работе эксперименты. Оптические характеристики используемого излучения удовлетворяют всем необходимым требованиям в широком диапазоне выходной мощности, что позволяет производить отработку разнообразных технологий металлообработки на высоком уровне.

Во втором параграфе второй главы рассматривается возможность использования воздуха в качестве вспомогательного газа, при поддержании энергетической эффективности резки на уровне эквивалентном использованию технически чистого кислорода, что очень привлекательно с экономической точки зрения.

Как видно из формулы (2), снижение интенсивности химической реакции за счет увеличения доли нейтральной компоненты, можно компенсировать увеличением давления газа и скорости течения в канале, такая возможность ранее не исследовалась.

Параметры газа в канале реза можно приближенно рассчитывать по формулам адиабатического ускорения газа коническим соплом:

Тъ =0.83Г*, рв=0.632р*, Рв =0.529/"*, ав= 0.909а* (3)

где Т*,р*,Р*,а* - температура, плотность, давление и скорость звука в форка-мере сопла.

Результаты оценки по формулам (2, 3) приведены в табл. 1. В первой строке таблицы приведено содержание кислорода в смеси. Во второй строке таблицы представлены расчетные значения скорости реакции в зависимости от содержания кислорода в смеси, при значении давления в форкамере 0.5 ати. Эталонная интенсивность реакции рассчитывалась для смеси содержащей 0.5% Аг. В третьей строке таблицы приведено отношение интенсивности реакции к эталонному значению. В четвертой строке приведены значения давления смеси кислорода с не реагирующим газом, которые требуется создать в форкамере конического сопла, чтобы сохранить эталонную интенсивность реакции.

Таблица 1. Условия сохранения скорости химической реакции

о2) % 99.5 90 80 70 60 50 40 30 20

I, кг/м2с 12,5 5,4 3,8 2,8 2,1 1,6 1,2 0,84 0,53

Ш(99.5) 1 0.43 0.3 0.22 0.17 0.13 0.096 0.067 0.042

Р, ати 0.5 3,12 4,47 5,98 7,86 10,39 14,10 20,19 32,28

При использовании конического сопла и воздуха (с содержанием порядка 21% кислорода), в качестве рабочего газа, для поддержания интенсивности реакции на уровне резки с технически чистым кислородом, требуется создать в форкамере сопла давление свыше 30 избыточных атмосфер. Это давление превышает пределы прочности фокусирующих оптических элементов примерно в полтора-два раза, но не является принципиально недостижимым.

Экспериментальная проверка компенсации содержания кислорода в смеси, за счет повышения давления и скорости течения газа в канале, была проведена

в широком диапазоне давлений газовой смеси и соответствующих им концентраций инертного газа. Фотографии поверхности реза при различных условиях резки приведены на рис. 3. При существенных долях нейтрального газа в смеси процесс приобретает недостатки как резки с кислородом, так и резки с нейтральным газом. Плохо выносится материал (рис. 3, а, в). При увеличении давления появляется нарушение реза близкое к автогенному режиму (рис. 3, г, д). Диапазон условий удовлетворительной резки очень узок (рис. 3, б, е).

В третьем параграфе второй главы исследуются потенциальные возможности гибридной кислородной резки с поддержкой лазерным лучом — известной в литературе относительно новой технологии раскроя толстолистовой стали. При определенных условиях минимального лазерного подогрева весь материал, взаимодействующий с кислородной струей, сгорает. Канал реза формируется струей режущего кислорода. Процесс осуществляется с помощью сверхзвуковой струи кислорода и сравнительно маломощного (от 1 кВт) лазерного излучения. Ширина реза в этом случае сравнима по величине с диаметром струи. Одна из главных проблем в реализации метода заключается в разработке конструкции такого сопла, которое обеспечивает беспрепятственное прохождение через него лазерного излучения и одновременно позволяет создавать эффективную сверхзвуковую струю кислорода.

Предложен метод аналитического расчета параметров резки, который позволяет по заданному выходному диаметру сопла и толщине разрезаемого материала определить диапазон давлений кислорода и критический диаметр сверхзвукового сопла. Используя связь характерных диаметров сопла, числа

ИИЙНМШ

¡¡к I

II ШУИ!

ияичШМ ■ Ша '1<Ш>

Ш^шшМяШМш^шЛ вшшш

шятШШжп; Штат

ЧВН"

Рис. 3. Влияние положения фокуса и давления газа на структуру шероховатости поверхности. Сталь СтЗ толщиной 10 мм, мощность излучения 2 кВт, смесь с содержанием 15% Аг, давление 3 ати, скорость 0.9м/мин

А- заглубление фокуса 0 мм; Б) заглубление фокуса 3.3мм; В) заглубление фокуса 4.6мм; Г- содержание Аг 15%, скорость 0.9м/мин, давление 4ати, заглубление фокуса 3.3мм; Д- содержание Аг 15%, скорость 0.9м/мин, давление 5 ати, заглубление фокуса 3.3мм; Е- содержание Аг 55%, Скорость резки 0.7 м/мин, давление 8 ати, заглубление 6мм;

Маха и давления газа, описываемую изоэнтропическими формулами, и полуэмпирическую теорию распространения затопленных свободных струй, получены простые аналитические выражения, связывающие геометрические размеры сопла и толщину разрезаемого листа.

Была изготовлена серия сопел, предназначенных для резки листов заданной толщины, геометрические размеры которых указаны в табл. 2.

Таблица 2. Геометрические размеры сопел

Сопло № Критический диаметр йс, мм. Выходной диаметр Ц,, мм.

1 0.7 1.2

2 0.9 1.4

3 1 1.4

4 1.54 2.2

5 2 3

Сравнение теоретических предсказаний и экспериментальных результатов резки гибридным способом представлены на рис. 4, а, б. На рис. 4, а показаны теоретические кривые, связывающие критический и выходной диаметры сопла и давление в форкамере с режимом истечения струи, и диапазоны давления, при которых осуществляется качественная натурная резка изготовленными соплами.

На рис. 4, б показаны рассчитанная безразмерная длина сверхзвукового участка струи ¿( и безразмерная толщина экспериментально разрезаемого листа Н. Как видно экспериментальные точки находятся внутри области предсказанной расчетами.

В ходе экспериментов был замечен ряд ограничений метода, так диаметр используемого сопла сказывается на процессе резки. Толщина листа разрезаемого соплом №2 оказалась несколько ниже расчетной, а с использованием сопла №1, реза с качеством и структурой типичной для гибридной резки не получено. Структура поверхности в этом случае характерна для режима с неудовлетворительным качеством при традиционной кислородной газолазерной резке. При критическом диаметре сопла меньше 1 мм гибридная резка в полной мере не реализуется.

Выбор геометрических размеров сопла для резки листа заданной толщины осуществляется следующим образом. Считаем, что длина сверхзвукового участка струи должна превышать толщину разрезаемого листа. По известной толщине листа, выходному диаметру сопла и диаграмме, показанной на рис. 4, б, определяется требуемая безразмерная длина сверхзвукового участка струи и соответствующий ей диапазон давлений. Далее, по полученному диапазону давления, известному выходному диаметру сопла и диаграмме, показанной на рис. 4, а, определяется критический диаметр сопла. При резке конфузор-но-диффузорными соплами с критическим диаметром от 1 до 1.5 мм расчетный расход кислорода составляет 1-2,5 г/с, что мало отличается от традиционной газолазерной резки.

Рис. 4. Сравнение предсказанных и экспериментально полученных диапазонов давления. А- Зависимости отношения критического и выходного диаметров конфузорно-диффузорного сопла от давления в форкамере, при различной нерасчетности струи, и диапазоны давления в которых осуществлялась резка соплами различной геометрии. Б- Зависимости безразмерной разрезаемой толщины листа и расчетной безразмерной длины сверхзвукового участка струи в зависимости от давления кислорода в форкамере сопла.

Сравнение традиционной кислородной газолазерной резки и гибридной кислородно-лазерной резки с поддержкой лучом представлено в табл. 3.

Таблица 3. Сравнение характеристик традиционной кислородной газолазерпоп и _гибридной резки с поддержкой лазерным лучом_

Параметры процесса Традиционная газолазерная резка с кислородом Гибридная резка

Толщина листа, мм. до 20 не менее 16

Скорость резки, м/мин. не менее 0.4-0.6 меньше 0.45

Мощность излучения, кВт. для толстых листов не менее 2 от 1

Давление кислорода, атм. 0.3-0.5 более 4, зависит от сопла

Ширина реза, мм. до 0.7 не менее 1.2

Видно, что эти два метода взаимно дополняют друг друга. Диапазоны рабочих параметров не совпадают ни по толщине разрезаемых листов, ни по давлению кислорода, ни по мощности лазерного излучения.

Третья глава посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию закономерностей образования шероховатости поверхности лазерного реза, и выноса материала при традиционной газолазерной резке с кислородом.

В первом параграфе третьей главы приводятся результаты экспериментального исследования влияния различных параметров на пространственный период (расстояние между гребнями) образующейся шероховатости и размеры частиц материала, удаленного из зоны реза. Наблюдается явление пороговой скорости резки, при превышении которой пространственный период шерохова- j тости и диаметр удаляемых частиц существенно уменьшаются. Пространствен-1 ный период шероховатости и диаметр частиц близки. Показано, что значение пороговой скорости, прежде всего, зависит от давления кислорода. Наблюдае-

мые тенденции плохо описываются в рамках существующих моделей образования шероховатости.

Во втором параграфе третьей главы, на основе физических механизмов сформулированных в главе 1, строится математическая модель образования шероховатости поверхности реза за счет циклов несамостоятельного горения железа в кислороде.

В силу симметрии задачи рассматривается половина области, схема горизонтального сечения которой показана на рис. 5. Луч движется вдоль оси ОХ со скоростью Ус, оставляя за собой область £20, которая свободна от металла и занята газом. Эта область, которая собственно и является лазерным резом, возникает в результате удаления жидких продуктов, образующихся под действием излучения и кислорода. Подвижная криволинейная граница Г0 является искомой поверхностью лазерного реза. Область О, непосредственно занята твер-! дым металлом. Между областями £20 и Ц имеется слой £12 жидкого или уже застывшего материала. Расширение канала реза происходит только за счет плавления исходного металла.

Математическое описание физических процессов, протекающих в областях , Ц, П, предлагается рассматривать в следующей сложно сопряженной постановке. Параметры газа в области й0 постоянны. В области П,1Ш2 рассматривается двухфазная задача Стефана (4)-{7) с двумя внутренними подвижными границами: Г,(1,х,у,г) = 0 - поверхность твердого металла (при ее изменении, температура на ней постоянна и равна температуре плавления 7|,„). Считается, что при плавлении металл превращается сразу в оксид, Г2((,л,у,г) = 0 - поверхность плавления оксида с температурой плавления Т2т. На внутренних подвижных границах рассматриваются условия Стефана (5),(6). Задача осложнена I тем, что внешняя граница области П, 1Ш2 имеет подвижный участок Г0(1,х,у,г) = 0, контактирующий с газом и излучением. На этом участке записывается условие (8), которое учитывает приток тепла в пятне лазерного излучения.

Рис. 5. Схема расчетной области включает подобласти контактирующих сред: газ (£20), металл в твердом состоянии (П,), жидкий или твердый слой продуктов реакции (02). Г0- искомая граница лазерного реза, Г, - фронт плавления металла, Г2 - граница плавления оксида.

Э71 дп

Г,+

О

г2+о

эг2 '"эй"

ЭГ2

'17

- О = л» ■. Г1 С> Л 2)= Г2 <'■У'= > (х,У> *) 6 Г, (5)

эг

УГ

УУ

гехр

(х-хо-Уе1у+уг 2 а2

(6)

(7)

(8)

........

Здесь Тк(г,х,у,г) — искомые функции температуры; рк(1,х,у,г,Тк), ск(1,х,у,2,Тк) и Лк(1,х,у,г,Тк) - плотность, удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности (к = 1,2); Тип,Т2т - температуры плавления железа и оксида железа; Я1;#2 - удельная теплота плавления железа и оксида железа соответственно, £)с, Удельный тепловой эффект и скорость химической реакции окисления железа в кислороде, выделение тепла происходит в секторе, ограниченном углом О), в котором жидкий оксид соседствует с металлом; Н(со) - функция Хевисайда; 8- толщина жидкого слоя; //ре- молекулярный вес железа; 1{1,х,у)- плотность мощности излучения; -коэффициент поглощения излучения; мощность излучения; а- дисперсия луча; ха - начальное положение центра пучка и струи кислорода, перемещающихся вдоль оси ОХ; ¡3 - угол падения излучения (угол между осью 02 и нормалью к поверхности реза в данной точке).

Начальные условия для температуры по подобластям Я, и й, в момент времени / = 0 задавались Т^ф,х,у,г) = Т2{0,х,у,г)=Тй = 300 К.

Численное решение осуществлялось с помощью метода фиктивных областей и численного алгоритма решения двухфазных задач Стефана с использованием методики сглаживания скачка энтальпии и коэффициентов переноса в уравнении теплопроводности в точке плавления. Указанные методы позволяют производить расчеты сквозным образом, т.е. без явного выделения подвижных границ. Для реализации алгоритма выбрана явная интегро-интерполяционная разностная схема.

В третьем параграфе третьей главы излагаются результаты численного решения задачи в двумерной постановке. Получены основные экспериментально наблюдаемые закономерности образования шероховатости: образование шероховатости за счет циклов горения, прекращающееся при превышении пороговой скорости процесса, переход в автогенный режим.

В четвертом параграфе третьей главы приведены результаты численного решения задачи в трехмерной постановке, как в предположении о неподвижной тонкой пленке оксида, так и с учетом конвективного переноса тепла дви-

жущейся жидкой пленкой. Трехмерный профиль поверхности реза представлен на рис. 6, а, б. Формирование такого волнообразного профиля поверхности реза наблюдается, когда скорость резки Ус низкая, в данном случае 20 мм/с. Если скорость перемещения луча (скорость резки) превышает линейную скорость горения металла, то борозды шероховатости не успевают формироваться, поверхность реза в этом случае остается гладкой. На рис. 6, б можно видеть сравнительно гладкую поверхность реза. Скорость резки составляет 40 мм/с, что превышает скорость волны горения. Хорошо видно, что полного разрезания листа при этом не достигается. Температура поверхности реза не превышает 2600 К, что близко к реальной температуре в зоне реза.

Рис. 6. Профиль поверхности лазерного реза. Скорость резки 20 мм/с (а), 40мм/с (б).

Формирование периодической шероховатости происходит следующим образом: инициированная на верхней кромке волна горения начинает распространяться в металле во всех направлениях, как это видно на примере радиального распространения верхней зоны горения (рис. 7, б). Так как задача имеет выделенную вертикальную ось ОЪ, то волна горения, двигаясь первоначально с опережением луча в плоскости верхней поверхности листа, в определенный момент достигает зоны непрогретого металла, радиальное движение волны горения замедляется и далее полностью прекращается (рис. 7, в). Часть волны горения, направленная в глубину листа, продолжает двигаться параллельно фронту реза, где металл хорошо прогрет излучением, (рис. 7, г). Возможно одновременное существование двух волн горения. На рис. 7, д показано, что первая волна еще не успела распространиться на всю глубину реза, как луч уже переместился и инициировал на поверхности новую волну горения. Цикличность процесса обеспечивает регулярное образование борозд шероховатости (рис. 7, е).

Динамика формирования поверхности реза, близкая к полученной, известна из литературы и была зарегистрирована скоростной съемкой в натурных условиях.

Результаты физико-математического и численного моделирования согласуются с физическими представлениями об образования шероховатости (рис. 1, а - е). Профиль поверхности реза формируется границей области рас-

Рис. 7. Динамика формирования профиля поверхности реза при скорости резки 20мм/с. Профили поверхности приведены последовательно в моменты времени 49,3 (а); 52,4(6); 54,2 (в), 55,1 (г), 56,8(д), 57,7 (е)мс.

пространения химической реакции. В случае образования периодической шероховатости имеет место циклическое несамостоятельное горение, прекращающееся при понижении температуры поверхности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена гетерогенная модель физико-химического взаимодействия железа с кислородом при газолазерной резке низколегированной стали. На ее основе определены физические механизмы образования шероховатости и других дефектов поверхности реза.

2. При добавлении в кислород нейтральной примеси не удается повысить эффективность газолазерной резки низколегированной стали. Однако показано, что для тонких стальных листов эффективность резки газовой смесью может быть сравнима с эффективностью резки с технически чистым кислородом. Теоретически показано, что при использовании воздуха в качестве активной газовой смеси требуется высокое его давление в форкамере сопла. При существенных долях в смеси нейтрального газа процесс приобретает недостатки как резки с кислородом, так и резки с нейтральным газом, плохо выносится материал и появляются дефекты поверхности, по характеру близкие к дефектам автогенного режима.

3. Предложена методика аналитического расчета параметров сверхзвукового сопла для резки толстолистовой стали гибридным кислородно-лазерным способом, позволяющая по заданной толщине листа и выходному диаметру сопла определить диапазон давления кислорода, критический диаметр конфузор-но-диффузорного сопла.

4. Предложена трехмерная физико-математическая модель образования

бороздчатой шероховатости при кислородной газолазерной резке металла. Численно получена динамика формирования профиля поверхности и линейные

размеры шероховатости в зависимости от задаваемых параметров процесса.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

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

2. Пугачева Н.Б., Смирнов С.В., Ермолаев Г.В., Ковалев О.Б., Оришич A.M. Микроструктура и механизмы взаимодействия с кислородом малоуглеродистой стали при кислородной газолазерной резке // Физика и химия обработки материалов. 2010. №1. С. 18-25

3. Ермолаев Г.В., Ковалев О.Б. Моделирование лазерно-индуцированного горения железа в кислороде при газолазерной резке // Физика горения и взрыва. 2010. №3 (принята в печать).

4. Ermolaev G.V., Kovalev О.В., Orishich A.M., Fomin V.M. Mathematical modelling of striation formation in oxygen laser cutting of mild steel // Journal of Physics D: Applied Physics. V. 39. 2006. P. 4236-4244.

5. Ermolaev G.V., and Kovalev O.B. Simulation of surface profile formation in oxygen laser cutting of mild steel due to combustion cycles // Journal of Physics D: Applied Phys-ics.V.42. 2009. 185506 (10 p.)

Патент

Патент на изобретение № 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. Опубликован 27.03.2009. Бюл. № 9.

Материалы всероссийских и международных конференций:

1. Ермолаев Г.В. Экспериментальное исследование образования периодических структур на поверхности реза при кислородной газолазерной резке // XLI Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс»: Материалы, секция «Физика». Новосибирск, 2003. С. 33.

2. Ермолаев Г.В. Моделирование образования шероховатости на поверхности реза при кислородной газолазерной резке малоуглеродистой стали. // XLIII Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс»: Материалы секция «Физика». Новосибирск 2005. С. 49.

3. Афонин Ю.В., Ермолаев Г.В., Малов А.Н., Малов Н.А., Оришич A.M., Шулятьев В,Б., Печурин В.А., Филев В.Ф. Экспериментальное исследование газолазерной резки малоуглеродистой стали // Лучевые технологии и применение лазеров: Материалы IV Международной конференции. Санкт-Петербург, 2004. С. 47-54.

4. Afonin Yu. V., Ermolaev G.V., Malov A.N., Malov N.A., Orishich A.M., Shuliat'ev V.B., Pechurin V.A., Filev V.F. Experimental study of gas-laser cutting of mild steel. // Intern.

, Conf. on Methods of Aerophysical Research: Proc. Pt 3. Novosibirsk, 2004. P. 3-10. j 5. Malov A.N., Malov N.A., Ermolaev G.V. Some peculiarities of oxygen-laser cutting of mild steel // Internaional Conference on Methods of Aerophysical Research: Proceedings, Part 3. Novosibirsk, 2004. P. 113-118.

6. Ермолаев Г.В. Математическое моделирование образования шероховатости на поверхности реза при кислородной газолазерной резке малоуглеродистой стали // 11 Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых: Сборник тезисов. Екатеринбург, 2005. С. 557-558

7. Ермолаев Г.В. Моделирование явления возникновения периодических полосчатых структур при кислородной газолазерной резке стали // Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов 2005»: Сборник тезисов, секция «физика», М.: Изд. Моск. ун-та, 2005. С. 188.

8. Ermolaev G.V., Malikov A.G., Kovalev О.В., Orishich A.M., Malov A.N. Composition and pressure of working oxygen/inert gas mixture influence on the gas laser cutting of mild steel Experimental study of gas-laser cutting of mild steel // International Conference on Methods of Aerophysical Research: Proc., Pt 2. Novosibirsk, 2007. P. 65-71.

9. Ермолаев Г.В., Ковалев О.Б. Моделирование режимов горения железа в кислородной струе под действием мощного сфокусированного лазерного излучения // Всероссийская конференция «Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва»: Сборник тезисов. Новосибирск, 2007. С. 80.

10. Ермолаев Г.В. Некоторые особенности окисления железа в струе кислорода в условиях газолазерной резки // Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей: Докл. Всерос. молодёжной конференции. Вып. 11. Новосибирск, 2008. С. 15.

11. Ermolaev G.V., Kovalev О.В., Malikov A.G., Orishich A.M., Shulyatyev V.B., Zaitsev A.V, Laser-assisted oxygen cutting of steel slabs: principles of supersonic gas jet forming and experimental results // 27th International Congress on Applications of Lasers & Electro-optics: Proceedings. Temecula, CA, USA, 2008. 1503. P. 623-627.

12. Ermolaev G.V., Kovalev O.B. Sumulation of surface profile formation in oxygen laser cutting of mild steel // 27th International Congress on Applications of Lasers & Electro-optics: Proceedings. Temecula, CA, USA, 2008. 1502. P. 615-622.

13. Ermolaev G.V., Kovalev O.B. Principles of supersonic nozzle parameters selection for laser assisted cutting of thick steel sheets // International Conference on Methods of Aerophysical Research: Abstracts. Part 2. Novosibirsk, 2008. P. 77.

14. Ермолаев Г.В., Ковалев О.Б. ЗБ-математическое моделирование образования шероховатости при кислородной газолазерной резке малоуглеродистой стали // III Всероссийская конференция «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине»: Тезисы докладов. Новосибирск, 2009. С. 57.

15. Пугачева Н.Б., Смирнов С.В., Оришич A.M., Ковалев О.Б., Ермолаев Г.В. Особенности изменения структуры и свойств конструкционных сталей после лазерного воздействия // III Всероссийская конференция «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине»: Тезисы докладов. Новосибирск, 2009. С. 141.

16. Ермолаев Г.В., Ковалев О.Б. Динамика образования шероховатости при кислородной газолазерной резке малоуглеродистой стали // Лучевые технологии и применение лазеров: Материалы 6-й Международной конференции. Санкт-Петербург, 2009. С. 122-126.

17. Ермолаев Г.В., Зайцев А.В., Ковалев О.Б. Физические основы гибридной кислородно-лазерной резки расфокусированным лучом // Лучевые технологии и применение лазеров: Материалы 6-й Международной конференции. Санкт-Петербург, 2009. С. 202-207.

Ответственный за выпуск Г.В. Ермолаев

Подписано в печать 26.03.2010 Формат бумаги 60x84/16. Усл. печ. л. 1.0, Уч.-изд. л. 1.0, Тираж 100 жз., Заказ № 3

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

Содержание Введение.

Глава 1. Анализ процессов сопровождающих кислородную газолазерную резку стали и проблемы их физического и математического моделирования.

1.1. Газолазерная резка металлов: основные методы и их 14 характеристики.

1.2. Кислородная газолазерная резка: анализ текущего состояния 20 исследований и перспективы дальнейшего развития.

1.3. Физико-химическая модель взаимодействия низколегированной 26 стали с кислородом в условиях газолазерной резки.

Выводы к главе

Глава 2. Развитие методов резки толстых листов стали излучением С02 лазера с использованием кислорода.

2.1 Описание экспериментальной установки.

2.2 Исследование влияния состава и давления рабочей смеси, 49 состоящей из кислорода и аргона, на характеристики газолазерной резки малоуглеродистой стали.

2.3 Параметризация режимов гибридной кислородно-лазерной резки 64 толстых листов стали.

Выводы к главе

Глава 3. Моделирование образования шероховатости поверхности при кислородной газолазерной резке низколегированной стали.

3.1 Статистический анализ закономерностей образования 79 шероховатости и выноса материала при кислородной газолазерной резке.

3.2 Физико-математическая постановка задачи образования 89 шероховатости за счет циклов несамостоятельного горения, и метод ее численного решения.

3.3 Двумерная постановка задачи и результаты расчетов геометрии канала лазерного реза и линейных размеров шероховатости его стенок.

3.4 Трехмерная постановка задачи и результаты расчетов динамики 104 формирования профиля поверхности реза с учётом течения жидкой пленки металла.

Выводы к главе

Наиболее распространенной лазерной технологией в машиностроительных отраслях промышленности в настоящее время является лазерная резка металлических и неметаллических материалов. Обширная номенклатура разрезаемых материалов, высокая скорость и точность обработки позволяют получать детали практически любой геометрической сложности с минимальными затратами. Наибольший объем лазерного раскроя среди металлов и сплавов приходится на низколегированные стали различного назначения, применяющиеся в строительстве, машино- и приборостроении. Использование кислорода, в качестве вспомогательного газа, позволяет существенно повысить эффективность резки этого типа материала, но также вносит в процесс дополнительные особенности и ограничения не характерные для резки с использованием нейтрального газа. Разнообразие и сложность физических процессов, имеющих место при лазерной резке с кислородом, затрудняют определение причин образования дефектов и различных ограничений для последующего их устранения. Теоретическому и экспериментальному исследованию этого типа резки посвящено большое количество оригинальных статей и монографий. Сложность физической картины явления, а также потребности производства постоянно поддерживают высокую активность исследований в этом направлении.

Совершенствование современных технологий лазерной резки, в том числе и с использованием активного рабочего газа кислорода, повышение их эффективности (скорости и качества) с переходом к раскрою все более толстых листовых материалов (толщиной до 30-50 мм и выше) приобретает в настоящее время чрезвычайную актуальность и требует углубленного изучения особенностей протекающих физико-химических процессов. При лазерной резке низколегированной стали с кислородом металл нагревается в пределах пятна излучения, вступает в экзотермическую реакцию, плавится и удаляется той же струей вспомогательного кислорода через образующийся разрез. На поверхности реза формируется шероховатость, отличающаяся от шероховатости, образующейся при резке с нейтральным газом. Качество лазерной резки, помимо шероховатости поверхности, характеризуется степенью перпендикулярности кромок реза, наличием или отсутствием грата и зависит от большого количества физических параметров, главными из которых являются характеристики излучения, скорость резки и параметры газовой струи.

В настоящее время технологические операции лазерного раскроя хорошо отработаны в случае тонких листов. Стабильная лазерная резка листов стали толщиной более 16 мм осложнена проблемой значительного понижения качества поверхности. При низкой скорости резки ухудшение качества поверхности реза связано с неустойчивостью процесса горения металла и склонности его к переходу в неуправляемый режим с большой шириной реза и недопустимой шероховатостью. На поверхности реза появляются рытвины, бесформенные наросты, процесс переходит в так называемый автогенный режим. Процесс становится более устойчивым с повышением требований к параметрам излучения, чистоте используемого кислорода, состоянию поверхности листа и составу стали. При высокой скорости резки наблюдается нарушение выноса расплава из узкого реза, которое проявляется в зашлаковывании, наплавлении с образованием грата на нижней кромке.

Исследования осложнены еще и тем, что регистрация процессов протекающих внутри реза в натурных условиях на А ЛТК (автоматизированном лазерном технологическом комплексе) невозможна из-за непрозрачности стенок реза, наличия высокой температуры и отраженного излучения. Поэтому в настоящее время отсутствуют достоверные сведения и представления о механизмах взаимодействия струи кислорода с жидким металлом, его уносом и образования шероховатости непосредственно внутри лазерного реза.

Теоретические исследования процессов лазерной резки стали с кислородом восходят к работам А.Г. Григорьянца, Н.В. Карлова, H.A. Кириченко, Б.С. Лукьянчука, A.A. Веденова, Г.Г. Гладуша, Н. К. Макашова, М.Н. Либенсона., J. Powell, W.M. Steen, A. A. Kaplan, J. Duan, ч К. Chen,

Y.L. Yao, W. O'Neill, J.T. Gabzdyl, S.L. Chen, D. Petring, I. Miamoto и многих других, в которых создана качественная теория образования шероховатости поверхности за счет протекания интенсивной химической реакции на фронте реза, теория взаимодействия излучения с металлами и их оксидами, проведен аналитический и численный анализ устойчивости движения пленки расплава и течения и диффузии вспомогательного кислорода, накоплен большой объем экспериментальных данных.

Подходы, развитые в большинстве работ, основаны на интегральных законах сохранения, которые справедливы для лазерной резки тонких листов. Математические модели различных физических процессов, как правило, слабо согласованы. Экзотермическая реакция зачастую описывается исходя из общих соображений, не учитывающих уникальных особенностей, присущих высокотемпературному окислению железа в кислороде. В этих условиях повышаются требования к качеству математического моделирования, и возрастает роль физического эксперимента.

Цели работы

1. Изучить особенности протекания химических реакций, определяющих эффективность и качество лазерной резки низколегированной стали с кислородом

2. Провести анализ эффективности использования при лазерной резке газовых смесей на основе кислорода с примесью нейтрального газа или воздуха.

3. Разработать методы аналитического расчета геометрии сверхзвуковых сопел для гибридной кислородно-лазерной резки толстолистовой стали на автоматизированном лазерном технологическом комплексе (AJITK).

4. Разработать физико-математическую модель образования бороздчатой шероховатости за счет циклов лазерно-индуцированного горения железа в потоке кислорода.

Научная новизна

Новыми научными результатами диссертационной работы являются:

1. Разработана гетерогенная модель физико-химических процессов реакционного взаимодействия железа с потоком кислорода на фронте реза при лазерной резке низколегированной стали.

2. Обнаружены газодинамические псевдоскачки, препятствующие процессу удаления расплава при гибридной кислородно-лазерной резке и предложены способы их устранения.

3. Разработана аналитическая методика расчета геометрии конфузорно-диффузорных сопел для резки толстолистовой стали гибридным кислородно-лазерным методом, позволяющая по заданной толщине листа и ширине реза определить диапазон рабочего давления кислорода, критический и выходной диаметры сопла.

4. Разработана модель образования шероховатости поверхности реза за счет циклов несамостоятельного горения при кислородной газолазерной резке низколегированной стали. В результате численного моделирования впервые рассчитана трехмерная форма шероховатости и исследована её динамика в зависимости от скорости резки, чистоты кислорода и толщины стекающей пленки образующегося оксида железа.

Практическая значимость

Предложена методика расчета геометрии газового сопла и рабочих параметров для резки стальных листов гибридным кислородно-лазерным способом. Методика позволяет по заданной толщине материала осуществить выбор диапазона рабочих давлений кислорода в форкамере, скорости резки и параметров геометрии сверхзвукового конфузорно-диффузорного сопла.

Получены образцы резки стальных листов с хорошим качеством (Яг<25 мкм) толщиной от 16 до 30 мм, скоростью 0.25-0.45 м/мин с использованием ССЪ лазера мощностью 1.0 кВт и расходом кислорода, близким по величине к традиционной кислородной газолазерной резке низкоуглеродистой стали.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов и выводов обоснована сравнением с экспериментальными и расчетными результатами других авторов.

Методика расчета параметров гибридной резки подтверждена результатами натурных экспериментов.

Результаты численного моделирования образования, формы и динамики шероховатости согласуются с экспериментальными данными, а также данными скоростной киносъемки натурных экспериментов других авторов.

На защиту выносятся физические модели, математические постановки задач, а также результаты их аналитических и численных решений. К числу главных защищаемых результатов следует отнести:

-модель протекания экзотермической реакции при кислородной газолазерной резке, включающая: температурное начало интенсивной реакции, ее скорость и возможные режимы распространения;

-описание газодинамических эффектов, связанных с системой скачков на входе и выходе из канала реза, препятствующих резке гибридным методом, и пути их устранения;

-аналитическая методика расчета геометрии сверхзвукового сопла и диапазона рабочего давления кислорода для резки листов заданной толщины гибридным способом;

-постановка задачи о формировании шероховатости поверхности за счет циклов лазерноиндуцированного горения;

-результаты численного моделирования образования шероховатости в зависимости от параметров процесса, их анализ, а также сформулированные выводы и практические рекомендации.

Апробация работы

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

- XI Всероссийская научная Конференция студентов-физиков и молодых ученых, Екатеринбург 2005;

- XLI и XLIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» Новосибирск, 2003 и 2005 г.

- XII, XIII, XIV Международной конференции по методам аэрофизических исследований (ICMAR), Новосибирск, 2004,2007 и 2008 год;

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

- IV и VI международная конференции "Лучевые технологии и применение лазеров" г. Санкт-Петербург 2004 и 2009 год

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

-Всероссийская молодёжная конференция "Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей" Новосибирск 2008 г.

- 27th International Congress on Applications of Lasers & Electro-optics., 2008, Temecula, CA, USA.

-Ill Всероссийская конференция «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалам в перспективных технологиях и медицине». Новосибирск 2009 г.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 5 статьях в рецензируемых журналах и 17 материалах всероссийских и международных конференций.

Личный вклад автора

При выполнении работ по теме диссертации диссертант принимал активное участие в постановке задач, подготовке и проведении экспериментов, обработке и анализе экспериментальных данных, обсуждении результатов, подготовке печатных работ и докладов на конференциях. Основные результаты диссертации получены при непосредственном участии автора. Им реализованы численный алгоритм расчета формы шероховатости реза и произведены постановка и обработка данных всех приведенных в работе экспериментов. Результаты совместных работ представлены в диссертации с согласия соавторов.

Краткое содержание работы по главам Первая глава содержит описание существующих методов лазерной резки металлов их ограничения и проблемы, возникающие как при практической реализации на АЛТК, так и при физико-математическом моделировании сопровождающих их процессов.

В первом и втором параграфах первой главы содержится описание различных видов лазерной резки, основные технологические достижения, полученные на сегодняшний день, обсуждаются проблемы, которые возникают при переходе к резке толстых листов металла.

В третьем параграфе первой главы, на основе анализа литературных данных формулируется физико-химическая модель протекания реакции железа с кислородом при кислородной газолазерной резке низколегированной стали. Определяется температурная граница существования интенсивной реакции, соответствующая температуре плавления оксида. Находится лимитирующая фаза реакции, оценивается ее тепловой эффект, сравнимый с действием лазерного излучения. Качественно рассматриваются возможные режимы теплового распространения фронта реакции и связанные с ними закономерности кислородной резки. Параллельно проводится разбор и сравнение предположений использованных в известных из литературы моделях.

Во второй главе приводится ряд моделей физических процессов, на основе которых делаются предположения о возможностях повышения эффективности лазерной резки. Осуществляется экспериментальная проверка выдвинутых предположений.

Первый параграф второй главы полностью посвящен описанию устройства и базовых характеристик АЛТК «Сибирь-1», на котором осуществлялись все приведенные в работе эксперименты. Оптинеские характеристики используемого излучения удовлетворяют самым высоким требованиям в широком диапазоне выходной мощности, что позволяет производить отработку разнообразных технологий металлообработки на высоком уровне.

Во втором параграфе второй главы приводится аналитическая оценка и экспериментальная проверка условий, в которых использование воздуха в качестве вспомогательного газа энергетически эквивалентно использованию технически чистого кислорода в отработанных условиях резки. Экспериментальная проверка показала, что резка смесью кислорода со значительным содержанием нейтрального газа с эффективностью близкой к резке с технически чистым кислородом возможна для тонких листов. По оценке, для эффективной резки с воздухом требуется запредельно высокое давление. При долях нейтрального газа 10 % и более процесс приобретает недостатки как резки с кислородом, так и резки с нейтральным газом, поскольку плохо выносится материал, образуется грат, наплавляется и зашлаковывается нижняя кромка, и наблюдается разрушение реза аналогичное автогенному режиму резки. С изменением состава смеси наблюдается плавный переход от резки с чистым кислородом, с положением фокуса на верхней поверхности листа, к резке с инертным газом, положение фокуса ниже половины толщины листа.

В третьем параграфе второй главы рассматриваются газодинамические основы технологии гибридной кислородно-лазерной резки толстых листов.

Определены газодинамические эффекты, сопутствующие распространению струи в широком канале. Сформулированы условия, при которых течение в канале не имеет особенностей, препятствующих процессу резки. Предложена аналитическая методика расчета геометрии и размеров конфузорно-диффузорных сопел для резки толстолистовой стали гибридным кислородно-лазерным методом, позволяющая по заданной толщине листа и выходному диаметру сопла определить диапазон давления кислорода, критический диаметр конфузорно-диффузорного сопла. С целью проверки методики расчета была изготовлена серия сопел различного .размера и проведено экспериментальное исследование по резке с их помощью листов различной толщины. Получены расчетные зависимости, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными, как с известными из литературы, так и полученными автором на АЛТК ИТПМ СО РАН. Предложен метод оценки скорости резки через коэффициент эффективности использования режущего кислорода, найденный эмпирически. Сравнение характеристик традиционной кислородной газолазерной резки и гибридной кислородной резки с поддержкой лазерным лучом показало, что эти методы взаимно дополняют друг друга. Диапазоны рабочих параметров не совпадают ни по толщине разрезаемых листов, ни по давлению кислорода, ни по мощности лазерного излучения. Повышена эффективность гибридного метода. За счет геометрии сопла снижен расход кислорода, для листов толщиной 16-30 мм, до уровня сравнимого с традиционной кислородной газолазерной резкой.

Третья глава посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию закономерностей образования шероховатости поверхности лазерного реза, и выноса материала при традиционной газолазерной резке с кислородом.

В первом параграфе третьей главы приводятся результаты экспериментального исследования влияния различных параметров на пространственный период образующейся шероховатости и размеры частиц материала, удаленного из зоны реза. Наблюдается явление пороговой скорости резки, при превышении которой пространственный период шероховатости и диаметр удаляемых частиц существенно уменьшаются. Период шероховатости и диаметр частиц близки. Показано, что значение пороговой скорости, прежде всего, зависит от давления кислорода. Наблюдаемые тенденции плохо описываются в рамках существующих моделей образования шероховатости.

Во втором параграфе третьей главы, на основе физических механизмов сформулированных в главе 1, строится математическая модель образования шероховатости поверхности реза за счет циклов несамостоятельного горения железа в кислороде. Распространение экзотермической реакции прекращается из-за падения температуры на фронте, и повторно инициируется движущимся лазерным лучом. Математическое описание основано на решении уравнений нестационарного тепло- и массопереноса в газе, жидкой пленке и в твердом металле. Численное решение осуществлялось с помощью метода фиктивных областей и численного алгоритма решения двухфазных задач Стефана с использованием методики сглаживания скачка энтальпии и коэффициентов переноса в уравнении теплопроводности в точке плавления. Указанные методы позволяют производить расчеты сквозным образом, т.е. без явного выделения подвижных границ. Для реализации алгоритма выбрана явная интегро-интерполяционная разностная схема.

В третьем параграфе главы излагаются результаты численного решения задачи в двумерной постановке. Получены основные экспериментально наблюдаемые закономерности образования шероховатости: образование шероховатости за счет циклов горения, прекращающееся при превышении пороговой скорости процесса, переход в автогенный режим. Вместе с тем двумерная постановка задачи имеет ряд серьезных недостатков. Непонятны механизмы формирования шероховатости по толщине листа. Невозможен учет изменения толщины и скорости течения жидкой пленки, вследствие чего, поверхность оксида разогревается до не реально высокой температуры. Диаметр излучения, при котором процесс горения переходит в самоподдерживающийся автогенный режим, существенно занижен.

В четвертом параграфе главы приведены результаты численного решения задачи в трехмерной постановке, как в предположении о неподвижной тонкой пленке оксида, так и с учетом сопутствующего течению жидкой пленки по фронту реза конвективного переноса тепла. Температура поверхности реза не превышает 2600 К, что близко к реальной температуре в зоне реза. Стадии динамики формирования профиля поверхности реза, полученные в расчете, хорошо согласуются с экспериментально зафиксированной другими исследователями аналогичной динамикой и формой поверхности в натурных условиях. Вертикальный размер области, где происходит интенсивная реакция, определяется скоростью теплопереноса в направлении действия луча и наклоном фронта реза. Без учета конвективного теплопереноса стекающей жидкой пленкой вертикальный размер области составляет порядка 300 мкм, при учете конвективного теплопереноса размер области увеличивается. Вполне возможно, что при резке толстых листов одновременно существуют несколько реагирующих областей, формирующих одновременно несколько полос шероховатости.

Результаты физико-математического и численного моделирования указывают на то, что поверхность реза формируется границами областей распространения интенсивной химической реакции. В случае образования периодической шероховатости имеет место циклическое несамостоятельное горение, прекращающееся при падении температуры поверхности реакции.

В заключении в диссертации приводятся основные результаты и выводы.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю Ковалеву О.Б., а также Оришичу A.M., за поддержку в выполнении работы, помощь при постановке задач и обсуждении полученных результатов. А также благодарит Шулятьева В.Б., Афонина Ю.В., Зайцева A.B., Маликова А.Г. и Юдина П.В. за совместно выполненные работы, полезные дискуссии и советы.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, состоят в следующем:

1. Предложена гетерогенная модель физико-химического взаимодействия железа с кислородом при газолазерной резке низколегированной стали. На ее основе определены физические механизмы образования шероховатости и других дефектов поверхности реза.

2. При добавлении в кислород нейтральной примеси не удается повысить эффективность газолазерной резки низколегированной стали. Однако показано, что для тонких стальных листов эффективность резки газовой смесью может быть сравнима с эффективностью резки с технически чистым кислородом. Теоретически показано, что при использовании воздуха в качестве активной газовой смеси требуется высокое его давление в форкамере сопла. При существенных долях в смеси нейтрального газа процесс приобретает недостатки как резки с кислородом, так и резки с нейтральным газом, плохо выносится материал и появляются дефекты поверхности, по характеру близкие к дефектам автогенного режима.

3. Предложена методика аналитического расчета параметров сверхзвукового сопла для резки толстолистовой стали гибридным кислородно-лазерным способом, позволяющая по заданной толщине листа и выходному диаметру сопла определить диапазон давления кислорода, критический диаметр конфузорно-диффузорного сопла.

4. Предложена трехмерная физико-математическая модель образования бороздчатой шероховатости при кислородной газолазерной резке металла. Численно получена динамика формирования профиля поверхности и линейные размеры шероховатости в зависимости от задаваемых параметров процесса.

Заключение.

1. Steen W. М., Watkins K.G. Laser Material Processing. L.: Springer. 2003.

2. Powell J. CO 2 -laser cutting. L.:Springer-Verlag, 1998.

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

4. Григорьянц А.Г., Соколов А. А. Лазерная резка материалов. M.: Машиностроение, 1988.

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

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

7. 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 ТЕМдо моды в непрерывном СО2- лазере мощностью 8 кВт // Квантовая электроника. 2004. Т. 31, No 4. С. 307-310.

8. The Theory of Laser Materials Processing / Editor John Dowden. SpringerVerlag. 2009.

9. D. Petring. Computer simulation of laser cutting for the limiting oriented development of robust process // Welding and cutting. 2005. 4. №1. pp 37-42. .

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

11. Markus S. Gross, Ian Black and Wolfgang H. Muller. Determination of the lower complexity limit for laser cut quality modeling // Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 2004. 12. pp. 1237-1249

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

13. Laser Physics and Applications Subvolume C: Laser Applications / Editors Poprawe R., Weber H., Herziger G. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York

14. M. Manohar. CO2 laser beam cutting of steels: Materials issues // Journal of laser applications. 2005. V. 18. N2. pp. 101-112.

15. M. Manohar, R.L. Bodnar, R.L Asfahani, N Chen and C. Huang, effect of steel composition on the laser cutting behavior of 25-mm thick plates // Journal of laser applications. 2005. V. 17. N 4. pp. 211-218.

16. J. Powell, D. Petring, R.V. Kumar, S.O. Al-Mashikhi, A.F.H. Kaplan and K.T. Voisey. Laser-oxygen cutting of mild steel: the thermodynamics of the oxidation reaction//J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. 42. 015504. (lip).

17. M. Sundar, А.К. Nath, D.K. Bandyopadhyay, S.P. Chaudhuri, P.K. Dey, D. Misra. Effect of process parameters on the cutting quality in lasox cutting of mild steel // Int J. Adv Manuf Technol. 2009. V. 40. pp. 865-874.

18. А.Г. Маликов, A.M. Оришич, В.Б. Шулятьев. Экспериментальная оптимизация газолазерной резки толстых стальных листов // Квант, электроника, 2009. 39(6). С. 547-551.

19. Chen S. L. Analysis and modelling of reactive three-dimensional high-power C02 laser cutting // Proc Instn Mech Engrs. 1998. V. 212. Part B. pp. 113-128.

20. I. Miyamoto and H. Maruo. Mechanism of laser cutting. Osaka: Osaka Univ. Dep. Weld. & Prod. Eng. 1988. pp. 1-21 (IIW Doc. NIE-LCWG-88.011).

21. M Sobih, P L Crouse and L Li. Elimination of striation in laser cutting of mild steel //J. Phys. D: Appl. Phys. 2007. 40. pp 6908-6916

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

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

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

25. R.Y. Chen and W.Y.D. Yen. Review of the high-temperature oxidation of iron and carbon steels in air or oxygen // Oxidation of metals. 2003. V. 59. N. 5/6. pp 433468.

26. Б.В. Линчевский. Теория металлургических процессов. М.:Металлургия. 1995.

27. Лепинских Б.М., Белоусов А.А. Транспортные свойства металлических и шлаковых расплавов. Справочник. М.: Металлургия. 1995.

28. И. А. Антонов. Газопламенная обработка металлов. М. Машиностроение 1976.

29. V. I. Bolobov. Conditions for ignition of iron and carbon steel in oxygen // Comb. Expl. Shock Waves. 2001. V. 37. N. 3. pp. 292-298.

30. A. A. Johnson, J. A. Von Fraunhofer, E.W. Jannet. Combustion of finned steel tubing during stress relief heat treatment // J. Heat Treatment. 1986. V. 4. N3, pp 265271.

31. Y. Li, J.A. Lucas, R.J. Fruenhan, and G.R. Belton. The Chemical Diffiisivity of Oxygen in Liquid Iron Oxide and a Calcium Ferrite // Metallurgical and materials transactions B. 2000. V. 31B. October, pp 1059-1068.

32. Y. Sayadyaghoubi, S. Sun, and S. Jahanshahi. Determination of the Chemical Diffusion of Oxygen in Liquid Iron Oxide at 1615 С // Metallurgical and materials transactions B. 1995. V. 26B. August, pp 795-802.

33. A.F. Kaplan. Theoretical Analysis of Laser Beam Cutting. Shaker Verlag. Aachen. 2002.

34. Ю. В. Левинский. P-T-X диаграммы состояния двойных металлических систем. Т. 1. Справочник. М. Металлургия. 1990.

35. Леонтович Б.И., Лыкасов А.А., Платонова О.В. Термодинамический анализ системы железо-кислород // Известия высших учебных заведений черная металлургия. 2001. №6. С. 3-7.

36. E.L. Dreizin. Phase changes in metal combustion // Progress in Energy and Combustion Science. 2000. 26. pp 57-78.

37. T.A. Steinberg, J. Kurtz, D.B. Wilson. The solubility of oxygen in liquid iron oxide during the combustion of iron rods in high-pressure oxygen // Combustion and Flame. 1998. 113. pp. 27-37.

38. A.N. Malov, N.A. Malov, G.V. Ermolaev .Some peculiarities of oxygen-laser cutting of mild steel / Internaional Conference on Methods of Aerophysical Research. Proceedings: Novosibirsk. 2004. Part 3. pp. 113-118.

39. Н.И. Никифоров, С.П. Нешумова, И.А. Антонов. Справочник газосварщика и газорезчика. М: Высшая школа. 1999.

40. Н.Б. Пугачева, С.В. Смирнов, Г.В. Ермолаев, О.Б. Ковалев, A.M. Оришич. Микроструктура и механизмы взаимодействия с кислородом малоуглеродистой стали при кислородной газолазерной резке // Физика и химия обработки материалов. 2010. №1. С. 18-25

41. Кутателадзе С.С., Накоряков В.Е. Теплообмен и волны в газожидкостных системах. Наука. Сибирское отделение. 1984.

42. G. Tani, L. Tonissani, G. Сатрапа. Prediction of melt geometry in laser cutting // Applied surface science. 2003. V. 208-209. pp 142-147

43. G. Tani, L. Tomesani, G. Сатрапа, A. Fortunato. Quality factors assessed by analytical modelling in laser cutting // Thin Solid Films. 2004. V. 453 -454. pp. 486491.

44. Д.А. Франк-Каменецкий. Диффузия и теплообмен в химической кинетике. М.:Наука. 1987.

45. А.А. Wells. The iron oxygen combustion process // British Welding Journal. 1955. September. 392-400.

46. S. L. Chen. The effect of gas composition on C02 laser cutting of mild steel // J. of Material Processing Technology. 1998. V. 73. pp 147-159.

47. V. Poncon, С Guillas, С Le Gall Oxygen quality in laser cutting of low carbon steel and stainless steel. Препринт Международного Института Сварки (IIW-doc.ie 916-90).

48. W. O'Neill and W.M. Steen. A three-dimensional analysis of gas entrainment operating during the laser-cutting process // J. Phys. D Appl. Phys. 1995.V. 28. pp 1218.

49. W. O'Neill and J.T. Gabzdyl. The mass transfer behavior of gas jets in laser cutting // Welding in The World. 1995. V. 35. N 1. pp 6-11.

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

51. H.B. Карлов, H.A. Кириченко, Б.С. Лукьянчук. Лазерная термохимия, основы и применения. М.:Центрком. 1995.

52. Т.В. Быстрова, В.Б. Либрович, В.И. Лисицин. Элементы теории горения в газолазерной резке металлов (ГЛР) // Физика горения и взрыва. 1973. №5. С. 725732.

53. G.C. Lim and W.M. Steen. Instrument for instantaneous in situ analysis of the mode structure of a high-power laser beam // J. Phys. E: Sci. Instrum. 1984. V. 17. N 11 (November), pp 999-1007.

54. A.N. Malov, V.B. Shulyatiev. Measurement of the parameters of a focused beam of powerfull C02-laser / International Conference on the Method of Aerophysical Research. Proceedings: Novosibirsk. 2004. Part III. pp. 119-122.

55. A.P. Golishev, A.I. Ivanchenko, A.M. Orishich, V.B. Shulyat'ev. Industrial C02-lasers of power up to 10 kW with high quality radiation // Proc. SPIE. 2001. V. 4184. p 414.

56. Антонов A.H., Галушкин М.Г., Дубров В.Д., Дубровин Н.Г., Дубровина Е.А., Панченко В.Я. Оптимизация содержания кислорода в технологической смеси с инертным газом при газолазерной резке титана // Физика и химия обработки материалов. 2009. №3. С. 91-95.

57. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика М.: Наука. 1976.

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

59. Kovalev О.В., Yudin P.V. and Zaitsev A.V. Modeling of flow separation of assist gas as applied to laser cutting of thick sheet metal // Applied Mathematical Modelling. 2009. V. 33, pp. 3730-3745.

60. Никифоров Н.И., Пик O.K. Выбор размеров сверхзвуковых сопел для кислородной резки металла и анализ ее основных закономерностей / Сборник научных трудов ВНИИавтогенмаш. 2000. с. 36-41.

61. Абрамович Г. Н. Теория турбулентных струй М.: Наука. 1984

62. R. Dvorak. Supersonic Subsonic Transition in Relatively Narrow Channels // J. of Thermal Science. 2000. V.9, N.4. pp 311-315.

63. K. Matsuo. Shock Train and Pseudo-shock Phenomena in Supersonic Internal Flows // J. of Thermal Science. 2003. V.12. N.3. pp 204-210.

64. Кталхерман М.Г., Мальков B.M., Рубан H.A. Торможение сверхзвукового потока в прямоугольном канале постоянного сечения // Журнал прикладной и технической физики. 1984. №6. С. 48-57.

65. Н. Zefferer, D. Petring, Е. Bayer. Investigation of the gas flow in laser beam cutting / Proceedings of the 3-rd international "Beam technology" conference. Karlsruhe. 1991. pp. 210-214.

66. J. Duan, H.C. Man and T.M. Yue. Modelling the laser fusion cutting process: I. Mathematical modelling of the cut kerf geometry for laser fusion cutting of thick metal // J. Phys. D: Appl. Phys. 2001.V. 34. pp 2127-2134.

67. A.A. Wells. Further Study in The Iron oxygen combustion in gas cutting // British Welding Journal. 1961. March, pp 79-92.

68. O.B. Kovalev, N.A. Larkin, V.M. Fomin, and N.N. Yanenko. The Solution of Nonhomogeneous Thermal Problem and the Stefan Single Phase Problem in Arbitrary

69. Domains // J. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 1980. V. 22. pp. 259-271.

70. Будак Б.М., Соловьева E.H., Успенский А.Б. Разностный метод со сглаживанием коэффициентов для решения задач Стефана // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1965. Т. 5, №5. С. 828-840.

71. Самарский А.А., Моисеенко Б.Д. Экономичная схема сквозного счета для многомерной задачи Стефана // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1965. Т. 5, №5. С. 816-827.

72. A.N. Malov, N.A. Malov, G.V. Ermolaev .Some peculiarities of oxygen-laser cutting of mild steel / International Conference on Methods of Aerophysical Research. Proceedings: Novosibirsk. 2004. P. 3. pp 113-118.

73. Таблицы физических величин. Справочник под ред Кикоина И.К. Атомиздат. 1976.

74. В.Е. Зиновьев. Теплофизические свойства 'металлов при высоких температурах. Справочник. М.: Металлургия. 1989

75. М. Vicanek, G. Simon, Н М Urbassek, I Decker. Hydrodynamic instability of melt flow in laser cutting // J Phys. D: Appl. Phys. 1987. V. 20. pp 140-145.

76. M. Vicanek and G. Simon Momentum and heat transfer of an inert gas jet to the melt in inert laser cutting // J. Phys. D: Appl. Phys. 1987. V. 20. pp 1191-1196.

77. Л.Г. Лойцянский. Механика жидкости и газа. М.:Наука. 1978.

78. J. Gram and D. Zuljan. Analysis of Heat Effects in Laser Cutting of Steels // Journal of Materials Engineering and Performance. 1996. V. 5. n. 4. pp 526-537^

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

80. Публикации автора по теме диссертации:

81. Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

82. Н.Б. Пугачева, С.В. Смирнов, Г.В. Ермолаев, О.Б. Ковалев, A.M. Оришич.

83. Микроструктура и механизмы взаимодействйя с кислородом малоуглеродистойстали при кислородной газолазерной резке // Физика и химия обработки материалов. 2010. №1. С. 15-22

84. Г.В. Ермолаев, О.Б. Ковалев. Моделирование лазерно-индуцированного горения железа в кислороде при газолазерной резке // Физика горения и взрыва 20Ю.№3. С. 59-68.

85. G.V. Ermolaev, O.B. Ко vale v, A.M. Orishich, V.M. Fomin. Mathematical modelling of striation formation in oxygen laser cutting of mild steel. // Journal of Physics D: Applied Physics. 2006. V. 39. pp 4236-4244.

86. G V Ermolaev and О В Kovalev. Simulation of surface profile formation in oxygen laser cutting of mild steel due to combustion cycles // Journal of Physics D: Applied Physics. 2009. Y. 42. 185506(10pp>1. Патент.

87. Патент на изобретение. № 2350445. Способ резки толстых металлических листов.ч „

88. Оришич A.M., Фомин В.М., Шулятьев В.Б., Ермолаев Г.В., Зайцев А.В., Ковалев О.Б., Маликов А.Г., Юдин П.В. // Опубликован 27.03.2009. Бюл. №9.

89. Материалы всероссийских и международных конференций:

90. Malov A.N., Malov N.A., Ermolaev G.V. Some peculiarities of oxygen-laser cutting of mild steel / Internaional Conference on Methods of Aerophysical Research: Proceedings, Part 3. Novosibirsk, 2004. P. 113-118.

91. Ermolaev G.V., Kovalev O.B. Sumulation of surface profile formation in oxygen laser cutting of mild steel / 27th International Congress on Applications of Lasers & Electro-optics. Proceedings: Temecula, CA, USA, 2008. 1502. pp. 615-622.

92. Ermolaev G.V., Kovalev O.B. Principles of supersonic nozzle parameters selection for laser assisted cutting of thick steel sheets / International Conference on Methods of Aerophysical Research. Abstracts: Part-2. Novosibirsk, 2008. p. 77.

93. Ермолаев Г.В., Ковалев О.Б. Динамика образования шероховатости при кислородной газолазерной резке малоуглеродистой стали / 6-я международная конференция "Лучевые технологии и применение лазеров". Материалы: Санкт-Петербург. 2009. С. 122-126.

94. Ермолаев Г.В., Зайцев А.В., Ковалев О.Б. Физические основы гибридной кислородно-лазерной резки расфокусированным лучом / 6-я международная конференция "Лучевые технологии и применение лазеров". Материалы: Санкт-Петербург. 2009. С. 202-207.