WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные матриалы
 


«ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ И СТРУЙНЫХ ТЕЧЕНИЙ ГАЗА НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ В ТЕХНОЛОГИЯХ ГАЗОЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ ТОЛСТОЛИСТОВЫХ МЕТАЛЛОВ ...»

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК, СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ

им. С.А. Христиановича

На правах рукописи

ЗАЙЦЕВ АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ

ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК

ИЗЛУЧЕНИЯ И СТРУЙНЫХ ТЕЧЕНИЙ ГАЗА НА КАЧЕСТВО

ПОВЕРХНОСТИ В ТЕХНОЛОГИЯХ ГАЗОЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ

ТОЛСТОЛИСТОВЫХ МЕТАЛЛОВ

01.02.05 механика жидкости, газа и плазмы Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физ-мат. наук, профессор Ковалев О.Б.

Новосибирск 2007 Содержание Введение………………………………………………………………………….. 3 Глава 1. Анализ процессов сопровождающих лазерную резку металлов и проблемы их физического и математического моделирования………..

1.1. Газолазерная резка металлов: основные технические достижения на сегодняшний день…………………………………………………………….…. 13

1.2. Оценка параметров физических процессов, сопровождающих газолазерную резку листовых материалов………………………………….…. 18

1.3. Анализ состояния исследований…..…………………………………..…… 27 Выводы к главе 1…..…………………………………..………………………… 33 Глава 2. Анализ влияния характеристик лазерного излучения на форму образующейся поверхности реза при лазерной резке толстолистового металла…………………………………………………..…..

2.1 Пространственная задача описания формы поверхности реза с учетом поляризации излучения………………………………………………………..... 34

2.2 Численное моделирование формы поверхности образующейся под действием лазерного излучения. Безразмерное уравнение. Схема численного решения………………………………………………………..……. 42

2.3. Влияние поляризации излучения на форму и глубину реза…………..…. 44

2.4. Влияние заглубление фокуса …………………………………………..….. 50

2.5. Многомодовое излучение…………………………………………….……. 53

2.6 Модель многократного отражения и поглощения излучения. Влияние переотражение на глубину и форму реза………………………………….…… 57 Выводы к главе 2………………………………………………………………… 63 Глава 3. Газодинамика лазерной резки металлов, математическая постановка задачи и метод решения…………………………………………

3.1 Математическая постановка задачи………………………………………... 64

3.2 Метод численного решения………………………………………………… 68

3.3 Тестовые расчеты……………………………………………………………. 71 Выводы к главе 3………………………………………………………………… 76 Глава 4. Численное моделирование струйных течений вспомогательных газов………………………………………………………...

4.1 Сверхзвуковые течения при газолазерной резке с нейтральным газом…. 78

4.2 Дозвуковые течения в узком канале, подобные течениям при лазерной резке с кислородом………………………………………………………………. 90

4.3 Анализ струйных течений и выбор оптимальной формы сопла для кислородно-лазерной резки типа LASOX……………………………………… 93 Выводы к главе 4……………………………………………………………….. 97

Заключение ……………..………………………………………………………. 98Список литературы…………………………………………………………….. 100

Введение Лазерная обработка металлов это широко распространенная технологическая операция, теоретическому и экспериментальному исследованию которой посвящено большое количество оригинальных статей и монографий. Сложность физической картины явления, а также потребности практики постоянно поддерживают высокую активность исследований в этом направлении. Из всех видов лазерных технологий в машиностроительных отраслях промышленности в настоящее время наибольшее применение нашли технологии лазерной резки металлических и неметаллических материалов.

Особенно эффективным оказалось применение лазерной резки в заготовительном производстве. Широкий диапазон толщин и марок разрезаемых материалов, практически любые параметры вырезаемых заготовок позволяют производить детали различных типоразмеров и геометрической сложности.

С появлением все более мощных лазеров и разработкой на их основе лазерных технологических комплексов возникает необходимость в расчетно-экспериментальных исследованиях процессов, сопровождающих лазерную резку.

При лазерной резке металл плавится в пределах пятна излучения и удаляется струей вспомогательного газа через образующийся разрез. Качество резки листовых материалов характеризуется шириной реза, степенью перпендикулярности боковых поверхностей к плоскости листа, их шероховатостью, наличием или отсутствием грата, и зависит от большого количества физических параметров, главными из которых являются свойства материала, характеристики излучения, скорость резки и параметры газовой струи. В настоящее время технологические операции лазерного раскроя хорошо отработаны в случае тонких листовых материалов. Стабильная лазерная резка листов металла толщиной 16 мм и более осложнена проблемой значительного понижения качества поверхности.

Первая причина связана с повышением требований к параметрам излучения с ростом толщины разрезаемого листа. Вторая причина связана с ухудшением продуваемости лазерного реза вспомогательным газом и нарушением эффективного выноса расплава из узкого и глубокого канала. Проблема осложнена еще и тем, что регистрация процессов в натурных условиях (на 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 тех процессов, которые протекают внутри лазерного реза.

Теоретические исследования процессов лазерной обработки, в том числе и лазерной резки материалов, восходят к работам А.А. Веденова, Г.Г. Гладуша, Н.Н. Рыкалина, А.Г. Григорьянца, Г.П. Черепанова, Н. К. Макашова, В.С. Голубева, А.В. Нестерова, В.Г. Низьева, J. Powell, W.M. Steen, A. A. Kaplan, K.

Minamida, J. Duan, H.C. Man, K. Chen, Y.L. Yao, W. O’Neill, J.T. Gabzdyl и многих других, в которых создана общая теория взаимодействия излучения с металлами, построены аналитические модели ряда задач, исследовано влияние поляризации пучка, предложены качественные теории образования шероховатости и грата, проведен аналитический и численный анализ устойчивости движения пленки расплава и течений вспомогательного газа в плоском и осесимметричном приближениях и т.д.

Подходы, развитые в большинстве работ, основаны на интегральных законах сохранения, которые справедливы для лазерной резки тонких пластин.

Математические модели различных физических процессов, как правило, слабо согласованы. В силу локальности действия струи газа и излучения, описания течений вспомогательного газа и других процессов необходимо проводить в трехмерной постановке. В этих условиях становятся чрезвычайно актуальными высокие требования к качеству физико-математического моделирования и точности вычислительного эксперимента.

Цели работы

1. Исследование влияния особенностей поляризации лазерного излучения и его поглощения поверхностью материала на глубину и форму лазерного реза, определение наиболее рациональных режимов использования излучения при разрушении металлов.

2. Численное моделирование трехмерных течений сжимаемого, вязкого, теплопроводного газа в глубоких и узких щелевых каналах, геометрически подобных лазерному резу.

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

4. Разработка практических рекомендаций по управлению потоком газа при газолазерной резке толстолистовых металлов на автоматизированном лазерном технологическом комплексе.

Научная новизна

Новыми научными результатами диссертационной работы являются:

1. Обобщенная формула для коэффициента поглощения лазерного излучения с эллиптической поляризацией, которая получена впервые, и которая описывает поглощение излучения при взаимодействии луча с произвольно ориентированной в пространстве поверхностью материала.

2. Теоретическое обоснование эффективности использования эллиптической поляризации излучения по сравнению с линейными типами поляризации для лазерного раскроя листовых материалов.

3. Механизм отрыва газового потока на гладкой поверхности, который обнаружен при втекании сверхзвуковой струи газа в узкий канал, геометрически подобный лазерному резу, что позволило дать объяснение изменению структуры бороздчатой шероховатости при лазерной резке металлов в модельных и натурных условиях.

4. Явление образования вихревого течения, которое обнаружено внутри узкого канала при втекании в него дозвуковой струи газа, что позволило дать объяснение факту зашлаковывания нижней части канала при лазерной резке с низким рабочим давлением вспомогательного газа кислорода.

Практическая значимость На основе анализа результатов проведенных исследований, сформулированы практические рекомендации, которые позволили улучшить качество поверхности реза и перейти к резке более толстых листовых металлов толщиной от 30 до 50 мм с шириной реза от 0.4 до 2.6 мм, производимых на автоматизированном лазерном технологическом комплексе ИТПМ СО РАН.

Результаты работы могут быть использованы на промышленных установках, что позволит существенно повысить эффективность лазерной резки толстых листовых материалов.

Достоверность результатов Степень достоверности полученных результатов и выводов обоснована проверкой численных расчетов в сравнении с известными аналитическими решениями, а также данными натурных экспериментов и с экспериментальными и расчетными данными других авторов.

На защиту выносятся все физические модели, математические постановки задач, а также результаты их аналитических и численных решений.

К числу главных защищаемых результатов следует отнести:

- Трехмерная постановка задачи, вывод на ее основе и обоснование общей расчетной формулы для коэффициента поглощения лазерного излучения при его взаимодействии с произвольной поверхностью материала.

- Модели и расчетные алгоритмы разрушения поверхности металла, как с учетом, так и без учета многократного преотражения лазерного излучения при его распространении в узких каналах и кавернах, а также анализ результатов расчетов.

- Постановка задачи для полных трехмерных уравнений Навье-Стокса в рассматриваемой области течения вязкого и теплопроводного газа, а также выбранный метод численного решения, результаты тестирования разработанного алгоритма и вычислительной компьютерной программы.

- Результаты численного моделирования сверхзвуковых и дозвуковых струйных течений газа, 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 СО РАН, на семинаре академика Ю.И. Шокина в Институте вычислительных технологий

СО РАН, а также на различных российских и международных конференциях:

- VII Всероссийская конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики», Новосибирск, ИТФ СО РАН, 2002;

- IX и XII Всероссийские научные Конференции Студентов-Физиков и молодых ученых, 2003, 2006;

- XLI и XLII Международные научные студенческие конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2003, 2004;

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

- V Минский международный форум по тепло- и массообмену, Минск, 2004;

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

- III Международная конференция по математическому моделированию и информационным технологиям в сварке и родственных процессах, Киев, Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины 2006;

- IX International Conference Laser and Laser-Information Technologies:

Fundamental Problems and Applications. Smolyan, Bulgaria, 2006;

- IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, Нижний Новгород, 2006.

Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 5 статьях в рецензируемых журналах и 11 материалах всероссийских и международных конференций.

Личный вклад автора При выполнении работ по теме диссертации диссертант принимал активное участие в постановке задач, обсуждении результатов, подготовке печатных работ и докладов на конференциях. Основные результаты диссертации получены при непосредственном участии автора. Им реализованы численные алгоритмы и произведены расчеты всех рассмотренных в работе задач. Результаты совместных работ представлены в диссертации с согласия соавторов. Автор выражает всем соавторам благодарность.

Краткое содержание работы по главам Первая глава содержит детальное описание всей совокупности физических процессов и явлений, сопровождающих лазерную резку металлов и проблемы ее практической реализации на автоматизированном лазерном технологическом комплексе (АЛТК).

Первая часть этой главы содержит описание различных видов лазерной резки, основные технологические достижения, полученные на сегодняшний день, обсуждаются проблемы, которые возникают при переходе к резке толстых листов металла. Во второй части, на основе простейших законов сохранения на облучаемой поверхности, приводятся оценки основных физических параметров процессов, здесь же представлены главные безразмерные комплексы, характеризующие лазерную резку материалов, и сформулированы причины ухудшения качества поверхности. В третьей части дан обзор и представлен анализ существующих в мире работ по теме проведенных автором диссертации исследований.

Вторая глава посвящена задаче об определении формы поверхности лазерного реза в зависимости от параметров излучения. Модель, построена в предположении, что продукты расплава идеально удаляются газом, а излучение поглощается непосредственно металлом. В такой модели определяющими являются теплофизические параметры металла, коэффициент поглощения излучения и характеристики излучения: интенсивность, поляризация, модовый состав, заглубление фокуса. Изложена математическая модель изменения поверхности реза под действием излучения. Представлены результаты зависимости максимальной глубины реза от величины заглубления фокуса.

Исследуется зависимость глубины и формы реза при изменении поляризации излучения. Рассмотрено как будет влиять модовый состав излучения на качество реза.

Предложена физико-математическая модель объемного взаимодействия лазерного излучения с металлом с учетом его многократного отражения. На основе траекторного метода и законов геометрической оптики разработан алгоритм и компьютерная программа расчета многократного отражения излучения в узких каналах и щелях применительно к процессам лазерной обработки металлов (резка, сварка, сверление).

Третья глава содержит математическую постановку задачи о динамике вспомогательных газов, которые обычно используют при лазерной резке металлов.

Для описания течений сжимаемого, вязкого, теплопроводного газа рассматриваются полные уравнения Навье-Стокса. В расчетную область помещается сопловой блок и пластина с узким вырезом. Рассматривается общая схема взаимодействия струи газа, истекающей из конического сопла, с плоской пластиной толщиной 10 – 30 мм с полуразрезом шириной 0.3-1.0 мм.

Расстояние (или зазор) между соплом и пластиной составляет примерно 1 мм.

Численное решение уравнений осуществлялось методом установления с расщеплением по пространству и использованием неявной неконсервативной конечно-разностной схемы первого порядка аппроксимации по времени и по пространственным переменным, реализуемой скалярными трехточечными прогонками. Проведены тестирования алгоритма и программы на задаче о распаде разрыва и задаче о взаимодействии круглой струи с преградой, которые показали надежность алгоритма и программы.

Четвертая глава содержит результаты численного моделирования струйных течений вспомогательных газов.

На основании метода, изложенного в третьей главе, проведены расчеты течения вязкого, сжимаемого, теплопроводного газа в узкой щели применительно к процессам газолазерной резки металлов. Проводились многовариантные вычисления, в которых варьировались следующие параметры задачи: конфигурация сопла (звуковое или сверхзвуковое), параметры сопла (диаметры выходного и критического сечений, длина сверхзвуковой части сопла), ширина и глубина реза, входное давление газа, поступающего в сопло и величина зазора между соплом и пластиной. Результаты численного моделирования газодинамических течений условно разделены на три группы по отношению к их практическому применению: а) газодинамика резки с нейтральным газом (аргон, азот, гелий); б) газодинамика резки с активным газом кислородом и в) газодинамика кислородно-лазерной резки, когда лазерное излучение играет второстепенную роль, при этом ширина канала реза соизмерима с диаметром струи режущего кислорода. В первом случае, определяющим является высокое давление вспомогательного газа (которое изменяется в диапазоне от 6 до 20 атм), во втором низкое давление рабочего газа кислорода (до 1.5-2 атм). В случае кислородно-лазерной резки, лазер является вспомогательным инструментом, который лишь разогревает поверхность, для поддержания окисления железа режущей кислородной струей.

а) Лазерная резка с нейтральным газом. Расчетным путем установлено, что при лазерной резке с нейтральным газом и использовании звукового (конического) сопла в канале лазерного реза может наблюдаться явление отрыва потока газа от фронта реза. Отрыв потока всегда оказывает негативное влияние, потому что в отрывной зоне возникает возвратное течение, которое вызывает резкое изменение силового действия газа на расплав, что ухудшает его унос.

На основе многовариантного численного моделирования струйной газодинамики исследованы особенности отрывных течений на гладкой поверхности в щелевом канале применительно к лазерной резке толстолистовых материалов.

б) Лазерная резка при низких давлениях активного рабочего газа. В лазерной резке с активным газом кислородом, с целью стабилизации процесса, используют низкие рабочие давления кислорода порядка 1.1-1.5 атм. Истечение газа, в таком случае, будет дозвуковым. В щелевом канале, ширина которого сопоставима по размерам с диаметром пучка излучения, течение тоже остается дозвуковым с числом Маха ~ 0.5. При таких низких давлениях отрыва газового потока не наблюдается. Однако, одним из интересных явлений, обнаруженных как при численном, так и при физическом моделировании в лабораторных условиях, является образование вихревого течения газа, которое возникает при выходе струи из щелевого канала. Этот вихрь может увлекать за собой и накапливать в себе жидкий расплав, что сдерживает его унос и является причиной зашлаковывания нижней кромки реза или образования грата в условиях натурного эксперимента.

в) Газодинамика кислородно-лазерной резки. Случай широкого реза, характерен для кислородно-лазерной резки. По зарубежной литературе этот способ резки известен как LASOX. Главную роль здесь выполняет струя режущего газа кислорода. При определенных условиях минимального лазерного подогрева возбуждаются гетерогенные химические реакции окисления железа в кислороде с выделением большого количества тепла на металлической поверхности. Ширина реза, которая получается в этом случае, сравнима по величине с диаметром струи кислорода, а толщина разрезаемых листов может достигать значений 50-60 мм. Одной из главных проблем здесь является оптимизация конфигурации газодинамического сопла для организации эффективной сверхзвуковой струи кислорода. Этот вопрос в настоящее время не исследован. Для обеспечения высокого качества и эффективности резки необходима узкая, с максимально равномерным распределением параметров, сверхзвуковая, глубоко проникающая струя режущего кислорода, которая должна сохранять свою пространственную структуру до входа в канал реза и далее при распространении в канале. Приведены результаты численных исследований особенностей течений рабочего газа на входе (т.е. в зазоре между соплом и пластиной) и в самом щелевом канале. Показано, что форма и геометрические размеры сопла играют существенную роль в формировании струи режущего газа кислорода.

Представленная в диссертации вычислительная технология, а также результаты проведенных численных исследований получили подтверждение в экспериментах на модельной и натурной установках.

На основе проведенных исследований струйных течений вязкого газа сформулированы технические рекомендации по управлению газовым потоком, которые были успешно использованы в экспериментах на АЛТК ИПТМ СО РАН при отработке практических технологий лазерной и кислородно-лазерной резки толстолистовых металлов.

В заключении диссертации приводятся основные результаты и выводы.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю Ковалеву О.Б., а также Оришичу А.М., за поддержку в выполнении работы, помощь при постановке задача и обсуждении полученных результатов. А также благодарит Шулятьева В.Б., Ермолаева Г.В. и Юдина П.В. за совместно выполняемые работы, полезные дискуссии и советы.

Глава 1. Анализ процессов сопровождающих лазерную резку металлов и проблемы их физического и математического моделирования

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

Лазерная обработка металлов имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами. Главные преимущества лазерной обработки это локальность действия и высокая точность, экономичность, возможность обеспечения высокого качества и автоматизации процесса. Современные тенденции развития лазерных технологий направлены на расширение возможностей таких традиционных методов обработки, как раскрой, сварка, сверление, гравировка, термическая обработка и др.

Россия входит в число мировых лидеров по теме исследований проблем лазерной обработки материалов. Основные российские НИИ и вузы, ведущие исследования по данному направлению:

1. Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН (ИПЛИТ РАН), г. Шатура Московской обл.

2. Институт проблем механики РАН (ИПМех РАН), г. Москва.

3. Троицкий институт инновационных исследований (ТРИНИТИ), г. Троицк Московской обл.

4. Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры (НИИЭФА), г. Санкт-Петербург.

5. Институт теоретической и прикладной механики СО РАН (ИТПМ СО РАН), г. Новосибирск Из всех видов лазерных технологий, использующихся в настоящее время в различных отраслях промышленности, наибольшее применение нашла технология газолазерной резки металлических и неметаллических материалов.

Лазерная резка - вид лазерной обработки листового материала, при которой сфокусированный лазерный луч разрушает материал, а струя сжатого газа выдувает его из зоны реза, в результате образуется тонкий разрез.

В зависимости от интенсивности излучения в зоне реза, вида материала, состава и давления используемого газа можно разделить лазерную резку на несколько видов:

лазерная резка с нейтральным газом, лазерная резка с кислородом, кислородная резка с поддержкой лазерным лучом (LASOX) [65].

Схема на рис. 1.1.1 содержит основные характеристики технологических процессов, полученные на АЛТК ИТПМ СО РАН [28-30].

–  –  –

Рис. 1.1.1 Основные виды лазерной резки металлов Лазерная резка с нейтральным газом.

Обычно применяется в тех случаях, когда нежелательно окисление кромок металла, например при резке нержавеющей стали, титана, алюминиевых сплавов. Эффективность резки в нейтральном газе ниже, чем при лазернокислородной резке, где присутствуют дополнительные источники нагрева за счет химических реакций окисления.

Характерные особенности:

Наиболее распространенный вспомогательный газ азот (при резке титана аргон).

Давление режущего газа, как правило, высокое до 10 атм и выше, поэтому здесь используют фокусирующие линзы повышенной толщины и прочности.

Формируется сверхзвуковая струя газа, которая выдувает расплавленный металл из зоны реза.

Излучение фокусируют на нижнюю поверхность листа.

Расстояние между срезом сопла и поверхностью металла минимально: 0.5мм.

При резке толстолистового металла диаметр сопла достаточно большой, доходит до 3 мм, поэтому расход нейтрального газа оказывается высоким, что в значительной степени определяет стоимость обработки.

Скорость резки с нейтральным газом относительно низка.

Лазерная резка с кислородом, характеризуется тем, что при взаимодействии кислорода с разогретым металлом происходит экзотермическая реакция окисления. В случае железа, количества выделившегося тепла с единицы поверхности в единицу времени оказывается в 2-3 раза больше, чем подводимая мощность лазера. Образующиеся оксиды удаляются из разреза этой же струей кислорода.

Характерные особенности процесса:

Диаметр сфокусированного луча меньше, чем диаметр кислородной струи.

Диаметр струи обычно составляет 1-2 мм.

Ширина реза определяется диаметром сфокусированного луча и скоростью реза. Чем меньше толщина листа и чем выше скорость обработки, тем уже рез. Ширина реза может быть меньше 100 мкм.

Давление кислорода в струе составляет от 3-4 ати при резке тонкого листа и до 0.3 ати при резке листа, толщиной 30 мм, причем давление уменьшается с увеличением толщины разрезаемого металла.

Как правило, лазерная резка осуществляется расширяющимся лучом, т.е точка фокуса всегда расположена выше поверхности металла.

Зазор между срезом сопла, формирующим струю, составляет от 0.5 мм для тонкого листа до 2 мм для листа, толщиной 30мм.

Чем толще лист метала, тем меньше скорость реза. Минимальная скорость реза 0.5-0.6 м/мин. Именно этот факт определяет максимальную толщину разрезаемого стального листа.

При скорости резки меньше, чем 0.5 м/мин качество лазерной резки значительно падает. На поверхности реза появляются рытвины, бесформенные наросты, процесс переходит в так называемый автогенный режим.

Кислородная резка с поддержкой лазерным лучом Для резки толстолистовой стали (прежде всего, в судостроении) в последнее время все шире применяется технология, при которой лазерный луч лишь нагревает поверхность металла до температуры около 1000 градусов перед тем, как на эту поверхность попадает сверхзвуковая струя кислорода. При этом, несмотря на экспоненциальную зависимость скорости окисления металла от температуры, процесс кислородной резки становится стабильным, стенки реза гладкими. Глубина резания значительно возрастает по сравнению с традиционной лазерной резкой с кислородом.

Характерные особенности кислородной резки с поддержкой лазерным лучом:

Давление кислорода, необходимое для формирования сверхзвуковой струи требуется достаточно высокое (6-10 атм.).

Диаметр пятна на поверхности металла больше, чем диаметр струи.

Ширина реза сравнима с диаметром кислородной струи и, как правило, больше 3мм.

Расстояние между срезом сопла и металлом 6-8 мм.

Скорость резки около 0.2 м/мин, что существенно ниже скорости лазернокислородной резки.

Толщина разрезаемого металла может быть доведена до 50 мм при мощности лазерного излучения 3 кВт и до 100 мм при мощности 6 кВт.

Качество резки характеризуется шириной реза, степенью перпендикулярности боковых поверхностей к плоскости листа, их шероховатостью, наличием или отсутствием грата и зависит от большого количества физических параметров, главными из которых являются свойства материала, характеристики излучения, скорость резки и параметры газовой струи. Если параметры резки выбраны неоптимально, например, не обеспечены необходимые характеристики струи сопутствующего газа или лазерного пучка, то поверхность реза может иметь дефекты в виде повышенной шероховатости и грата. Примеры таких дефектов показаны на рис. 1.1.2. Важнейшая задача, которая здесь возникает, связана с выбором вполне определенных значений физических параметров процесса, которые обеспечивают необходимое качество резки при заданных материале и возможностях лазера.

–  –  –

Несмотря на значительные достижения в области лазерной резки толстолистовых материалов, имеется целый ряд нерешенных проблем, главной из которых является проблема минимизации шероховатости поверхности. Не до конца понятны механизмы, определяющие образование полос шероховатости на боковых поверхностях. Отсутствуют достоверные объяснения причин образования грата, и нет надежных рекомендаций по его устранению. Слабо изучены гидродинамика и теплообмен жидкой пленки расплава, уносимой газовым потоком, ее устойчивость и разрушение. Из-за трудностей экспериментального наблюдения в настоящее время нет достоверных представлений о физических процессах, протекающих внутри реза и нет надежных рекомендаций по улучшению качества резки. Необходимы совместные научно ориентированные экспериментальные и теоретические исследования.

1.2 Оценка параметров физических процессов, сопровождающих газолазерную резку листовых материалов На рис. 1.2.1 представлена упрощенная схема процесса лазерной резки.

Мощное лазерное излучение(1) фокусируется на лист металла(2), поглощенное излучение (и энергия экзотермической реакции окисления металла, в случае резки с кислородом) разогревает металл до температуры плавления. На поверхности образуется тонкая пленка расплава (3). Под действием газа(4), который подается через газодинамическое сопло(5), расплав движется на фронте реза в виде тонкой пленки или разрушается газовым потоком на капли и выносится из области реза(6). Лазерный луч передвигается, образуя узкий рез (7).

Для описания реальной картины лазерной резки металлов необходимо рассматривать целый ряд сопряженных задач физики:

взаимодействие лазерного излучения с поверхностью металла;

распространение тепла в твердом теле и плавление металла, которое описывается уравнениями теплопроводности и двухфазной задачей Стефана;

истечение газовой струи, и ее динамическое взаимодействие с расплавленным металлом уравнения газовой динамики и Навье-Стокса;

образование расплава металла и его течение в виде жидкой пленки уравнения пограничного слоя для несжимаемой жидкости;

экзотермические химические реакции окисления металла.

Решение указанных уравнений в полной сопряженной постановке на сегодняшний день не представляется возможным. В большинстве опубликованных теоретических работ, предлагается подход, в котором общая постановка задачи ГЛР расчленяется по физическим процессам на подзадачи, каждую из которых при определенных предположениях удается разрешить аналитически или численно в одномерном, двумерном или трехмерном приближениях.

Рис. 1.2.1 Схема процесса лазерной резки: 1) лазерное излучение; 2) лист металла;

3) расплав металла; 4) линии тока газа; 5) сопло, через которое проводится излучение и подается вспомогательный газ; 6) расплав, покинувший область реза; 7) боковая поверхность реза; 8) фронт реза; 9) скачок уплотнения газа, образуется при сверхзвуковом истечении из сопла; x, y - система координат, связанная с лазерным лучом, z ( x, t ) - форма поверхности реза,, -система координат, связанная с поверхностью твердого металла, Vc - скорость резки, Vn - скорость движения границы фазового перехода.

Рассмотрим основные физические процессы, которые сопровождают лазерную резку.

Излучение лазера В настоящее время в промышленности России и за ее пределами широко используются CO2 лазеры, обладающие высоким КПД, большой мощностью и хорошим качеством излучения. Длина волны излучения таких лазеров 10.6 мкм.

Мощность излучения лазера на современных установках достигает 10-20 кВт.

Качество излучения определяется модовым составом, расходимостью пучка и поляризацией. Модовый состав и расходимость пучка определяют плотность излучения в области фокусировки. Если в излучении будут присутствовать другие моды (ТЕМ01, ТЕМ10, ТЕМ11 и др.) или будет значительная расходимость лазерного пучка, то плотность излучения на поверхности материала значительно уменьшится, что увеличит ширину реза и вероятней всего уменьшит скорость резки. При оптимальных параметрах радиус луча в области фокусировки составляет 0 100мкм (при фокусном расстоянии линзы 190 мм). Направленность поляризации излучения сильно влияет на коэффициент поглощения излучения материалом. Следовательно, использование неосесимметричной поляризации приведет к тому, что при изменении направления резки, потребуется поворачивать либо плоскость поляризации, либо сам обрабатываемый материал. Поэтому на большинстве лазерных комплексов применяют круговую поляризацию.

Поглощение излучения металлами Большинство металлов способно хорошо поглощать излучение высокой интенсивности от сфокусированного лазерного пучка. Поглощение лазерного излучения металлами сопровождается многообразием физико-химических процессов, главные из которых это нагрев, плавление, испарение и окисление. В наведенном на поверхность металла пятне излучения материал может очень быстро разогреться, расплавиться и даже испариться. Металл поглощает энергию лазера в тонком поверхностном слое. Эта энергия распространяется за счет теплопроводности в осевом и радиальном направлениях. Если мощность падающего излучения невысокая (10 8 Вт/м 2 ) и плотность мощности поглощения излучения мала по сравнению с теплоотводом, то температура поверхности в пятне излучения будет оставаться ниже температуры плавления. При более высокой мощности ( 10 10 Вт/м 2 ) испарение становиться преобладающим механизмом удаления материала. Следует заметить, что все процессы протекают достаточно локализовано потому, что толщина пятна имеет порядок 10 4 м. В процессе лазерной резки обычно интенсивность поглощенного излучения на поверхности металла составляет порядка 109 Вт/м2. Значит мы можем говорить о том, что основным результатом взаимодействия излучения с металлом будет его плавление.

Поглощение излучения напрямую зависит от отражательной способности металлической поверхности. При описании взаимодействия излучения с металлами используют уравнения Френеля, из которых следует, что коэффициент отражения связан с комплексным показателем преломления N = n + ik, углом падения луча и зависит от вида поляризации излучения [32]. Для чистого металла коэффициент поглощения может изменяться в широком диапазоне, от

0.05 до 0.5, это означает, что потери энергии в виде отраженного излучения могут составлять от 50 до 95%, поэтому очень важно изучить, как может повлиять поляризация исходного излучения на производительность процесса.

Газовая струя.

Для того чтобы добиться качественного удаления расплава нужно создать газовый поток, который бы оказывал достаточное силовое воздействие на расплав по всей глубине канала. Картина течения газа схематично отображена на рис. 1.2.1. Сначала газ разгоняется в сопле, затем газовая струя выходит в атмосферу и разделяется на две части. Первая протекает между пластиной и соплом и выходит в открытое пространство, вторая попадает в узкий лазерный рез. В зависимости от давления в сопле и расстояния до пластины между пластиной и соплом может возникнуть скачок уплотнения. При резке с кислородом внутри реза возникает дозвуковое течение с числом Маха M 0,5 (рабочие давления 1,1- 1,5 атм), а при резке с нейтральным газом поток разгоняется до сверхзвуковых скоростей M 1,5 2,5 (рабочие давления 6-8 атм). В большинстве работ пользуются приближением о том, что параметры газа слабо изменяются в струе так, что в щелевом разрезе формируется изоэнтропическое течение с постоянp pin pa ным градиентом давления [7-19] (где pin - давление газа при входе z h в рез, pa - атмосферное давление, h - толщина пластины). Такое приближение допустимо только при малой толщине материала. При резке толстолистовых материалов, возникает течение с целой системой скачков уплотнения (в случае сверхзвукового течения) и вихревыми течениями. Поэтому для анализа течения газа требуется либо экспериментальное, либо численное моделирование газодинамики процесса.

Течение жидкой пленки расплава.

Течение пленки расплава важнейший процесс, определяющий качество резки. Основные параметры, которые влияют на толщину и скорость пленки расплава это скорость резки и параметры газового потока на поверхности пленки. Перемещение расплава может происходить как под действием вязкого трения с газовым потоком, так и в силу перепада давления в газе [14].

Для оценки скорости течения пленки воспользуемся соотношением (1.2.1), в котором предполагается, что расплав разгоняется в основном за счет перепада статического давления рабочего газа:

mU m 2 / 2 p p0, (1.2.1) где m - плотность расплава, U m - средняя скорость течения пленки, p давление газа в сопле, p0 - внешнее или атмосферное давление.

После подстановки m = 8000кг / м, p = 5атм, получим среднюю скорость течения расплава U m 10 м / с.

Из закона сохранения массы можно оценить, толщину пленки расплава:

hmU m LVc, (1.2.2) где hm - средняя толщина пленки, L - толщина металлического листа, Vc скорость резки.

Подставим в это соотношение Vс = 20 мм / с, а L = 3 мм, тогда средняя толщина пленки расплава hm 10 мкм.

В [8], используя двумерную постановку, в условиях, когда течение газа в канале реза одномерное, были получены распределение толщины пленки и скорости расплава по глубине реза (рис. 1.2.2), что совпадает с другими оценками и экспериментальными данными для резки тонколистовых металлов. Толщина пленки в данном случае также не превышает 10 мкм. Для резки толстолистового металла такие оценки неприменимы, поскольку течение газа нельзя рассматривать в одномерном приближении.

H, мкм 10.0

–  –  –

Рис. 1.2.2. Влияние скорости резки VC на распределение компонент скорости жидкости U ( L, ) и V ( L, ) по глубине реза Хотя обычно полагают, что толщина стекающей пленки очень мала и описывается течением пограничного слоя [8], например в [9] считают, что может существовать режим, когда слой расплава состоит из трех подслоев: между двумя пограничными слоями (один на границе с твердой поверхностью, второй на границе с газом) развивается слой основного потока.

Проблема устойчивого течения пленки требует дополнительного обсуждения. Гидродинамическая неустойчивость может быть вызвана, как пульсациями в газовом потоке, так и внутренней неустойчивостью течения расплава. В силу колебаний, частичное разрушение пленки расплава может осуществляться уже внутри реза с образованием капель, отрывающихся от поверхности пленки.

Возможно также выплескивание расплава в силу неравномерного градиента давления или касательного напряжения со стороны газа. В целом задача течения расплава и его устойчивости очень сложна и ей посвящено множество работ [9-19], но без знания действительной картины газодинамических процессов, происходящих при лазерной резке, ее постановка некорректна. Особенно это важно при резке толстолистовых материалов.

Теплопередача.

Для решения общей задачи о распределении температуры в твердом теле и пленке расплава, требуется решать сопряженные дифференциальные уравнения, которые описывают теплопередачу в твердом металле, перенос тепла в расплаве с учетом движения границы раздела двух фаз. Граничные условия на поверхности раздела должны включать характеристики падающего излучения и параметры газового потока, которые будут определять течение пленки расплава и соответственно теплоперенос в ней. В настоящее время общая постановка и особенно решение данной задачи в согласованном виде чрезвычайно осложнены.

Поскольку скорость Vn движения границы фазового перехода по порядку величины сравнима со скоростью резки VC, то характерную толщину прогретого слоя металла можно оценить из соотношения (1.2.3), которое получено из решения задачи о движении теплового источника [32].

s ht Vc, (1.2.3) где ht - средняя толщина прогретого слоя металла, s - температуропроводность в твердом металле. Подставив температуропроводность для нержавеющей стали s = 0,15 см / с и скорость резки Vс = 20 мм / с, получим оценку средней глубины прогрева в твердом металле ht 0.75 мм, а для скорости резки Vс = 160 мм / с ht 0.1мм.

–  –  –

где T - перегрев расплава, A - коэффициент поглощения, W - мощность лазерного излучения, m - теплопроводность расплава, d - диаметр луча в области резки.

Характерные величины в данном случае возьмем такие: A = 0,1, W = 1 кВт, m = 15 Вт /( м К ), d = 0,1мм, L = 3 мм, hm 10 мкм, тогда T 200К.

–  –  –

Рис. 1.2.3. Влияние скорости резки VC на распределения температуры T и TS в слое жидкого расплава и в твердом теле. Твердый металл: 0, расплав: 0.

Потеря энергии на прогрев боковых стенок реза понижает эффективность лазерной резки. При резке толстолистовых металлов на прогрев может уходить до 50% поглощенной энергии. Перегрев материала может привести к необратимым деформациям образца и ухудшению точности контура реза. Как следует из (1.2.3), его можно минимизировать увеличением скорости резки. Но при большей скорости, увеличится толщина пленки расплава, увеличатся потери на ее прогрев ( hm 2 ), удалить расплав будет намного сложнее. Поэтому должна существовать некоторая оптимальная скорость процесса, для минимизации потерь энергии и надлежащего удаления расплава.

Химические реакции окисления.

При лазерной резке с кислородом, помимо поглощенного лазерного излучения присутствует экзотермическая реакция окисления. Ее энергия может превышать энергию поглощенного излучения в несколько раз. Кроме того, в ряде работ [14, 15], указывают на то, что при окислении металла повышается его коэффициент поглощения излучения. Поэтому скорость резки с применением кислорода в несколько раз больше. В таком процессе, существенным будет влияние относительной концентрации примеси газа в области реза. Было показано, что высокая чистота кислорода может значительно улучшить качество резки и увеличить возможности по толщине обрабатываемого металла [59, 62-64]. Другое интересное явление, сопровождающее лазерную резку с кислородом, - образование периодической, полосчатой шероховатости, которое происходит не только за счет гидродинамической неустойчивости расплава, но и в силу циклической реакции горения железа в кислороде [71].

Все представленные выше оценки работают при небольшой толщине материала. При переходе к толстым материалам, общая физическая картина процесса существенно усложняется. Например, при увеличении толщины обрабатываемого материала увеличивается средний угол падения излучения в области реза. Широкий диапазон изменения коэффициента поглощения лазерного излучения металлом при больших углах падения, наводит на мысль о том, что, управляя характеристиками излучения можно существенно повысить КПД процесса. Течение пленки расплава, получено в приближении равномерно распределенных параметров газового потока внутри реза. Однако, в реальном процессе это не так. При резке с нейтральным сопутствующим газом на поверхности реза за счет гидродинамической неустойчивости слоя расплава происходит образование волн шероховатости, которые вызваны силовым действием на расплав струи газа. С увеличением толщины материала ширина и глубина штрихов возрастают, при этом качество поверхности значительно ухудшается. В этой связи становится чрезвычайно актуальной проблема подробного исследования газодинамических струйных течений внутри лазерного разреза.

1.3 Анализ состояния исследований В настоящее время происходит непрерывное усовершенствование и расширение областей применения традиционных видов лазерной обработки. Это требует углубленного изучения физики процессов в широком диапазоне интенсивностей, времени воздействия и свойств обрабатываемых материалов с глубоким проникновением излучения в материал. Газолазерная резка металлов – широко распространенная технологическая операция экспериментальному и теоретическому исследованию, которой посвящено огромное число оригинальных статей и монографий (см., например, библиографию в [1-6]).

В связи с большим количеством физических процессов, сопровождающих газолазерную резку (взаимодействие лазерного излучения с металлами, течение газовой струи в узком канале, распространение тепла в твердом металле и его расплаве и многое другое), общая постановка задачи затруднена. Зачастую в работах на эту тему пользуются интегральными законами сохранения в одномерной или двумерной постановках.

В [7] проведена оценка физических параметров процессов, сопровождающих лазерную резку с инертным газом, изучено влияние заглубления фокуса на качество поверхности и экспериментально исследованы особенности течения газа внутри реза для небольших толщин материала. Впервые упоминается о возможности возникновения отрывного течения внутри реза и о его влиянии на качество поверхности. На основе упрощенных математических моделей предложен один из механизмов образования регулярной шероховатости, основанный на неустойчивости температурного поля, создаваемого медленно перемещающимся источником тепла.

В [8] на основе аналитического решения сопряженных задач механики сплошных сред, в двухмерной постановке исследуется влияние основных технологических параметров резки на толщину пленки расплава, на прогрев материала и максимальную глубину реза.

В [9] дается наиболее полный обзор и проводится качественный анализ физических механизмов удаления расплава в процессе лазерной резки. Предлагается качественное объяснение экспериментально наблюдаемой зависимости энергетической эффективности резки и высот шероховатости [23].

Анализу гидродинамической неустойчивости течения пленки расплава посвящены работы [10-16]. Ряд моделей исследуют неустойчивость, вызванную внешними источниками (например, турбулентными пульсациями газового потока [10], колебаниями мощности лазера [11]), либо внутренними гидромеханическими механизмами присущими пленочному течению [14]. В [18, 19] течение пленки изучается на основе оригинальной квазитрехмерной модели, где форма реза представляет собой усеченный конус и наклонные поверхности. На подобной модели в [20] исследуют образование шероховатости при лазерной резке с кислородом. Надо отметить, что во всех этих работах параметры газового потока внутри реза принимаются постоянными, что недопустимо при моделировании процессов при резке толстых материалов.

В [21] приводится интересное сравнение полуэмпирических и аналитических формул для оптимальных параметров лазерной резки. Величина = P / Vs (где P -мощность лазера, V - скорость резки, s - толщина материала), для всех приведенных (теоретических и экспериментальных) результатов, оказывается, лежит в одном диапазоне от 6 12 Дж / мм 2. Однако, такая оценка пригодна только для небольшой толщины материала, до 5 мм. При увеличении толщины эта величина может существенно изменяться в зависимости от параметров резки как показано в экспериментах [24-27].

В работах [22-23] исследуются оптимальные, с точки зрения термических потерь, режимы резки тонколистовых металлов. В [23] обнаружено, что нагрев разрезаемой пластины влияет на величину шероховатости поверхности реза.

Выбору оптимальных параметров излучения посвящены работы [32-50].

Обычно пренебрегают потерями энергии на прогрев боковых стенок реза, а также на перегрев расплава. Поглощенное излучение учитывается интегрально или в двумерной постановке, при этом коэффициент поглощения обычно принимается постоянным. Распределение плотности поглощаемого излучения, довольно сильно зависит от локальных параметров, таких как угол падения или поляризация излучения относительно плоскости падения, поэтому задачу необходимо рассматривать в трехмерной постановке, правильно вычисляя коэффициент поглощения и поглощенную энергию в каждой точке поверхности. В [32] наиболее подробно исследован вопрос о взаимодействии лазерного излучения с металлами: исследуются различные формулы для коэффициента поглощения, рассматривается влияние шероховатости, загрязнений поверхности, а также зависимость коэффициента поглощения от температуры. В [33] обсуждается возможность вычисления нормальной компоненты скорости перемещения точек поверхности плавления Vn через вектор Пойтинга, который определяется из решения уравнений Максвелла. Рассматривается только случай малого отклонения искомой поверхности от плоскости листа, что позволяет приближенно вычислять вектор Пойтинга. Коэффициент поглощения излучения поверхностью материала вычисляется приближенно, при этом рассматриваются только поперечная и продольная поляризации излучения.

В большей части теоретических и экспериментальных работ [1, 35, 37] указывается, что оптимальной из линейных поляризаций излучения является поляризация, направленная по движению лазерного луча. При этом утверждается, что достигается большая скорость резки и толщина материала. В [37-39] указывается, что круговая поляризация, не хуже линейной, параллельной движению луча.

В [36-39] приведен расчет формы поверхности при лазерной резке металлов при различной поляризации луча. На основе результатов делается вывод о том, что радиальная поляризация излучения для резки металла более выгодна, чем круговая. Такую поляризацию можно получить наложением двух взаимно перпендикулярных TEM01 -мод. Вопросу получения такой поляризации посвящены работы [40-41].

Случай эллиптической поляризации излучения ни в одной из известных автору работ не исследуется.

Анализ влияния заглубления фокуса представлен в ряде работ [1, 7, 34, 35]. Здесь приведены двумерные постановки рассматриваемых задач, которые сильно ограничивают их практическую значимость. Главный тезис этих исследований состоит в том, что при заглублении фокуса на середину пластины удается достичь максимальной скорости резки.

Работы A. Kar и др. [42-43] посвящены влиянию многомодового излучения на ширину и глубину реза. На основе интегрального баланса энергии строится зависимость скорости резки и максимальной глубины реза для различных мод излучения.

Методы моделирования взаимодействия лазерного излучения с металлами [32-43] основаны на предположении, что учитывается только однократное поглощение излучения. При этом считается, что отраженное излучение не вносит существенного вклада в разрушение материала. Визуальные наблюдения реальных процессов лазерной обработки показывают, что имеет место многократное поглощение излучения при его распространении внутри реза или каверны, особенно в случае толстых (толщиной h 10 мм ) материалов.

Вопросы моделирования многократного отражения излучения ранее неоднократно обсуждались в работах по моделированию процессов лазерной сварки материалов [44-47]. Однако предложенные модели и методы описания не являются самосогласованными, так как основаны на интегральных законах сохранения, записанных для заранее заданной и не изменяющейся во времени формы реза.

Для оптимизации параметров лазерного излучения существуют и другие, более оригинальные методы. Например, в работе [48] экспериментально исследуется лазерная резка при использовании линзы с двойным фокусом, а в [49] изучают резку с двумя лазерными лучами.

Исследованию газодинамических процессов лазерной резки посвящено множество статей [51-65]. Однако в большинстве работ постановка задачи рассматривается в одномерной, плоской или осесимметричной постановке.

H.C. Man и J. Duan [51] исследовали методом теневой визуализации сверхзвуковые течения для различных сопел, применяемых при лазерной резке. Также представлены результаты численного моделирования таких течений в осесимметричной постановке. Однако, исследования ограничивались истечением струи в свободное пространство, а область реза ни в экспериментах, ни в вычислениях не рассматривается. Эти же авторы [52-54] использовали аналитическую теорию плоских сверхзвуковых течений идеального газа для описания газовой динамики внутри реза. Получена картина распространения волн разрежения и ударных волн, которые попеременно отражаются от фронта реза (границы металла) и искусственно задаваемой криволинейной границы струи. Однако, характерная структура течения в канале, так и не была правильно отображена.

Предполагалось, что фронт реза отклонен от вертикали и имеет довольно большой угол с осью сопла, хотя, на самом деле, это отклонение незначительно при резке толстолистовых металлов.

Chen K. и др. в [55, 56] для тех же целей решали уравнения Навье-Стокса в осесимметричной постановке. Задача сводилась к распространению газовой струи в круглое отверстие. Однако особенность геометрии реальных процессов такова, что реальную картину течения газа в области реза, необходимо проводить в трехмерной постановке, поэтому им также не удалось получить правильную физическую картину.

В [57, 58] экспериментально, методом теневой визуализации и численно, в трехмерной постановке с использованием программного пакета Fluent, изучалось натекание свободной струи на наклонную поверхность. Хотя результаты позиционируются как относящиеся к процессу лазерной резки, но их интерпретация не позволяет оценить влияние боковых стенок и ширины канала.

Во многих работах (в частности в [51-56]) утверждается, что использование сверхзвукового сопла позволяет улучшить вынос материала и сделать процесс резки более устойчивым. В экспериментах по лазерной резке матричного SiС/Al металлокомпозита толщиной 2 мм и нержавеющей стали толщиной 5 мм [51] было обнаружено, что одинакового качества рез получается, если использовать коническое сопло при давлении инертного газа в 1-3 МПа и сверхзвуковое сопло при более низком давлении 0.5-1 МПа.

В работах по моделированию динамики рабочего газа при низких давлениях в сопле [59, 62], характерном для случая лазерной резки с кислородом, исследуют влияние степени загрязнения кислорода на качество резки. При этом плюсы от применения двойного коаксиального сопла [59, 64] объясняются лишь защитными функциями его буферной части, которая исключает приток воздуха в основную кислородную струю из атмосферы.

В [60, 61] приведены экспериментальные данные и построена теоретическая модель для описания влияния кислорода на процесс лазерного сверления металлов. Утверждается что оксид, образующийся в процессе лазерного сверления с кислородом, влияет двояко: 1) изменяя поглощательную способность поверхности; 2) изменяя температуру, требуемую для удаления расплава (из-за различия температуры плавления металла и оксида).

В работах [63, 71] исследуется образование шероховатости при лазерной резке с кислородом за счет циклической реакции горения железа в кислороде.

O’Neill W., Gabzdyl J.T. в [65] впервые предложили качественно новый способ использования лазера при резке толстолистовых металлов с кислородом.

Ими был представлен новый метод кислородной лазерной резки (LASOX [65]).

При таком способе резки лазер лишь разогревает поверхность до инициации реакции горения. В представленной работе [65], не содержится никакой информации о том, какие газодинамические сопла следует использовать, в то же время форма сопла играет здесь существенную роль для обеспечения качественной резки.

Стоит упомянуть работы Markus S. Gross и др. [66-68]. Авторы предприняли попытку создать компьютерную модель, где в сопряженной постановке считаются течение пленки расплава, газодинамика вспомогательного газа, теплопередача в твердом металле. В численной модели принималось во внимание испарение газа, поверхностное натяжение, эффект Марангони и даже гравитация и излучение тепла нагретыми поверхностями. Для моделирования был задействован многопроцессорный компьютер и затрачено 17300 часов процессорного времени. Из работ авторов следует выделить два важных вывода. Первый говорит о том, что все процессы, сопровождающие лазерную резку, являются существенно трехмерными, и любые двумерные постановки могут привести к неправильным выводам. Во-вторых, по мнению авторов, на сегодняшний день, вычислительная техника, не позволяет решить эту задачу в полной постановке, чтобы провести сопоставление с реальными экспериментальными данными.

Выводы к главе 1 Из анализа следует, что существующее в мире оборудование только для тонких материалов имеет устойчивые технологические режимы, которые получены и отработаны, как правило, опытным путем. Из-за отсутствия развитых методов диагностики и визуализации нет достоверных представлений о процессах протекающих внутри лазерного реза. Влияние параметров излучения и газового потока на скорость и качество лазерной резки изучено недостаточно.

Струйные течения вспомогательного газа, ответственные за удаление расплава, порождают неустойчивость и связанные с ней дефекты реза (шероховатость и грат). Математические методы моделирования, развитые на основе интегральных законов сохранения, а также двумерные и осесимметричные приближения для описания процессов резки толстолистовых материалов малопригодны, поэтому требуется более строгое математическое и численное моделирование процессов в трехмерной постановке.

Глава 2. Анализ влияния характеристик лазерного излучения на форму образующейся поверхности реза при лазерной резке толстолистового металла Проблема моделирования лазерной резки металлов осложнена многообразием взаимосвязанных физических процессов, протекающих локально в зоне действия излучения, поэтому детальное их описание в сопряженной трехмерной постановке в настоящее время чрезвычайно затруднено [66-68].

Поэтому в работах по поиску оптимальных характеристик излучения чаще всего используют модель, когда поглощенная лазерная энергия вся идет на плавление металла, а весь расплавленный металл мгновенно удаляется. На практике такие условия можно достичь при большой скорости резки и идеальной работе газовой струи. В опубликованных на эту тему литературных источниках [33-50], недостаточно исследованы вопросы влияния характеристик излучения на коэффициент поглощения и форму образующейся поверхности металла. В частности, хорошо известные и широко используемые в литературе формулы расчета коэффициента поглощения в случае эллиптической поляризации пучка неприменимы для описания взаимодействия излучения с произвольной поверхностью материала. Необходимость такого описания становится чрезвычайно актуальной при моделировании лазерной обработки толстых листовых металлов.

2.1 Пространственная задача описания формы поверхности реза с учетом поляризации излучения.

Постановка задачи.

Постановка задачи, рассматриваемой в этой главе, основана на следующих предположениях:

1. Энергия поглощенного излучения расходуется только на нагрев материала и его плавление. Испарением и взаимодействием излучения с парами металла пренебрегается.

2. Считается, что в условиях интенсивного поддува газа гидродинамические процессы внутри реза (удаление расплава) происходят мгновенно, при этом толщина оставшейся жидкой пленки пренебрежимо мала.

3. Удаление расплавленного металла осуществляется нейтральным газом так, что химические реакции, которые имеют место при резке с кислородом, не рассматриваются.

4. Потери тепла в твердом материале учитываются интегрально, скорость резки такова, что справедливо локально-одномерное распределение температуры в тонком слое вблизи поверхности реза.

6. Не учитывается зависимость коэффициента поглощения излучения от температуры.

7. Поглощением отраженного излучения пренебрегается, учитывается только однократное поглощение.

С учетом этих предположений математическая формулировка задачи о разрушении материала под действием лазерного излучения сводится к уравнению изменения формы его поверхности ( x, y, z, t ) = 0. Будем считать, что поверхность можно определить, как функцию ( x, y, z, t ) = z zm ( x, y, t ) = 0, где в начальный момент времени нижнее полупространство ( z 0 ) полностью занято материалом. Изменение поверхности будем наблюдать в системе координат, связанной с лазерным лучом, тогда каждая точка поверхности будет двигаться со скоростью V = Vn + Vc, где Vc - скорость, обусловленная движением луча, Vn

- скорость разрушения поверхности (плавление и унос расплава) под действием лазерного излучения, направленная по нормали к поверхности (рис. 2.1.1). Тоd = + (,V ) = 0 с начальным и граничными усгда уравнение движения t dt ловиями перепишутся в виде (2.1.1)-(2.1.3). Граничные условия в (2.1.3), отражают локальность действия лазерного излучения.

–  –  –

Линейная поляризация излучения.

Рассмотрим случай линейной поляризации излучения. На рис. 2.1.2 показан элемент поверхности, расположенный под углом к оси Ox декартовой системы координат ( x, y, z ).

Рис. 2.1.2. Схема взаимодействия светового луча с элементом поверхности.

Волновые вектора падающего k и отраженного k R излучений и единичный вектор нормали N к поверхности образуют плоскость падения. Вектор напряженности электрического поля E разлагается на две проекции. Проекции EP, лежащей в плоскости падения, соответствует коэффициент отражения RP,

–  –  –

где I r, I 0 -интенсивности отраженного и падающего излучений, которые пропорциональны квадратам напряженностей электрических полей Er и E, соответственно.

На рис. 2.1.3 приведена зависимость коэффициента поглощения A(, ).

0.6 =90 0.5

–  –  –

=45 0.3 =30 0.2 =0 0.1

–  –  –

При = 900 излучение поляризовано параллельно плоскости падения, что соответствует максимуму коэффициента поглощения. С уменьшением угла параллельная поляризация пучка монотонно переходит к перпендикулярной поляризации, которая при =0 соответствует минимуму коэффициента поглощения. Поскольку вектор k имеет только z -компоненту, вектор электрического поля E, только x - и y -компоненты, то Nkn и cos, выразятся через еди

–  –  –

параллельно осям Ox и Oy. При этом выполняется соотношение a 2 + b2 = 1. Коэффициент поглощения запишем в виде A = a 2 Ax + b 2 Ay, где Ax, Ay коэффициенты поглощения для излучения, линейно поляризованного параллельно осям Ox и Oy. Согласно (2.1.7) можно записать формулы

–  –  –

Коэффициент поглощения A сильно зависит от угла падения, пространственной ориентации вектора нормали к поверхности и поляризации излучения, которую мы будем характеризовать через = b / a - отношение полуосей эллипса поляризации или через a 2 - долю энергии излучения, поляризованного параллельно оси Ox.

Круговая поляризация излучения.

При = b / a = 1 или a 2 = b 2 = 1/ 2 имеем круговую поляризацию излучения.

С учетом равенства N x 2 + N y 2 + N z 2 = 1 из (2.1.11) получаем

–  –  –

Таким образом, при круговой поляризации излучения коэффициент поглощения, зависит только от угла падения излучения. Это известная и широко используемая формула для приближенной оценки коэффициента поглощения при круговой поляризации [4, 5, 32-36].

Радиальная и азимутальная поляризации.

Как было отмечено в параграфе 1.2, чтобы не поворачивать плоскость поляризации или обрабатываемый материал, обычно на практике пользуются осесимметричной поляризацией. Самой простой в получении является круговая поляризация излучения, но возможны и другие варианты. В работах [36-39] рассматриваются еще два вида такой поляризации: радиальная и азимутальная (рис. 2.1.4). В первом случае вектор электрического поля лежит на прямых проходящих через центр координат, во втором перпендикулярно им.

–  –  –

Выразим aS для различных видов поляризации. Отметим, что при N x = N y = 0, мы имеем особенность вида 0 / 0. Этот случай будет иметь место, когда угол падения 0. Но коэффициент поглощения для перпендикулярной и параллельной поляризации при малых углах падения примерно одинаков (рис. 2.1.3), поэтому для нахождения коэффициента поглощения можно считать aS 1. Для того чтобы избежать неопределенности добавим в числитель и

–  –  –

Временной шаг выбирался = 0.05hx, т.к. при большем числе Куранта, при больших возникали осцилляции. Все представленные расчеты имеют разрешение 200х200 точек, т.к. было показано, что при увеличении числа точек, отклонение в численном решении составляет не более 3%.

2.3 Влияние поляризации излучения на форму и глубину реза В данном параграфе приведены результаты численного моделирования влияния поляризации излучения на глубину и форму поверхности реза. Для всех расчетов z f = 0, т.е. излучение фокусируется на поверхность материала. Исследуется только TEM 00 - мода.

На рис. 2.3.1 представлена трехмерная форма реза при = 100 и круговой поляризации излучения. Вдоль оси x образуется узкая каверна V-образной формы шириной порядка 2 0 и глубиной 20 0. Это значит, что на реальной установке, максимальная толщина листа металла, которая может быть разрезана с такими параметрами излучения, составляет 19 20 0.

Рис. 2.3.1 Трехмерная форма реза при круговой поляризации излучения.

–  –  –

Рис. 2.3.2. Результаты моделирования формы поверхности для линейных и круговой поляризаций при = 100 : а, б, в – формы поверхности реза в плоскости zy, г, д, е - распределение безразмерной поглощенной энергии q в плоскости yx, ж, з, и – распределение коэффициента поглощения в плоскости yx. Линейная поляризация по Ох (a=1): а, г и ж. Линейная поляризация по Оy (b=1): в, е, и. Круговая поляризациях (a2=b2=1/2):б, д, з.

a б в г д е ж з и Рис. 2.3.3. Результаты моделирования формы поверхности для радиальной, эллиптической и азимутальной поляризаций при = 100 : а, б, в – формы поверхности реза в плоскости zy, г, д, е - распределение безразмерной поглощенной энергии q в плоскости yx, ж, з, и – распределение коэффициента поглощения в плоскости yx. Азимутальная поляризация: а, г, ж. Радиальная поляризация: в, е, и. Эллиптическая поляризациях ( = b / a = 0.75 ):б, д, з.

В случае резки излучением с линейной поляризацией c a 2 = 0 ( = b / a = ), когда вектор напряженности электрического поля перпендикулярен направлению перемещения луча, максимум поглощения излучения находится на боковых стенках (рис. 2.3.2, а, г, ж), при этом коэффициент поглощения на фронте реза примерно такой же, что и на боковых стенках. Рез получается широкий, но не глубокий порядка 8 0.

В случае резки излучением c a 2 = 1 ( = b / a = 0 ) вектор E параллелен направлению перемещения луча (см. рис. 2.3.2, б, д, з), максимум плотности поглощаемой мощности находится на фронте реза там, где излучение падает под углом

85 87. Рез получается узкий с максимальной глубиной около 10 0, так как большая часть излучения не проникает в глубь реза, отражаясь от его фронта.

При круговой поляризации (см. рис. 2.3.2, в, е, и) поглощенное излучение распределено по поверхности относительно равномерно, форма боковой поверхности эволюционирует к вертикали, что дает максимальную глубину порядка 19 0.

В случае азимутальной поляризации (см. рис. 2.3.3, а, г, ж), поглощаемая мощность и коэффициент поглощения, распределены очень неравномерно, что вызывает осцилляции в форме поверхности. Максимальную глубину реза в этом случае оценить сложно, вероятней всего она не превышает 14 0.

Используя эллиптическую поляризацию с = b / a = 0.75 (рис. 2.3.3, б, д, з), мы получаем максимальную глубину 24 0. Это максимальная величина для любой из исследуемых поляризаций. Распределение поглощаемой мощности очень похоже на случай круговой поляризации излучения, но является более оптимальным. При использовании радиальной поляризации (рис. 2.3.3, в, е, и) мы получаем менее глубокий рез чем в предыдущем случае, но в нижней части рез более широк, что может положительно сказаться при удалении расплава.

На рис. 2.2.4 в безразмерных переменных ( Lmax 0, b a ) представлены результаты серии вычислительных экспериментов по определению максимальной глубины реза L в зависимости от отношения b a. В расчетах варьировались значения безразмерного комплекса.

1.6 10 1.4

–  –  –

Рис. 2.2.3. Зависимость максимальной глубины реза L max 0 от поляризации луча b a.

При процессах характерных для малой толщины материала ( 15 ), максимальная глубина реза соответствует линейной поляризации излучения, параллельной движению луча. Этот факт подтверждается экспериментальными работами [1].

При процессах характерных для металлических пластин большой толщины ( 50 ), максимум на кривых соответствует эллиптически поляризованному лучу с отношением осей b a = 0,75-0,85. Максимальная глубина реза в таком случае в несколько раз больше чем при любой из линейных поляризаций.

Таким образом, прямолинейную резку толстолистового металла наиболее эффективно производить с эллиптической поляризацией луча.

2.4. Влияние заглубления фокуса

Заглубление фокуса является важной характеристикой, которая определяет качество резки, скорость и толщину металла, которую можно разрезать. На основе ранее поставленной задачи (2.2.2)-(2.2.3), проведены серии вычислений, где форма и глубина реза исследовалась в зависимости от параметра z f в уравнении (2.2.3), который определяет расстояние от фокальной плоскости пучка до верхней поверхности материала. Отрицательные значения zf соответствуют случаю, когда излучение фокусируется вглубь пластины, положительные, когда фокус находиться над поверхностью материала. В данных расчетах рассматривается только круговая поляризация излучения. На рис. 2.4.1 представлены формы поверхности для различных заглублениях фокуса для = 100.

Как видно наиболее глубокий рез получается при заглублении фокуса на величину 11 0, что соответствует примерно половине глубины реза. При повышении или понижении точки фокусировки глубина реза уменьшается, а ширина несколько увеличивается.

–  –  –

Рис. 2.4.1. Формы поверхности реза при различном заглублении фокуса.

В результате серии вычислений была получена зависимость максимальной глубины реза от изменения положения фокуса при различных параметрах (Рис. 2.4.2).

–  –  –

Рис. 2.4.2. Максимальная глубина реза при различном заглублении фокуса.

Расчетным путем показано, что оптимальное заглубление фокуса соответствует величине, равной половине от максимальной глубины реза. Это значит, что если фокусировать излучение на середину толщины листа, то можно добиться максимальной скорости резки. Подобные выводы были получены ранее в работах [7, 34, 35], и также широко применяются при резке тонколистовых материалов. Однако при резке толстых металлических пластин с нейтральным газом, лучших результатов удается добиться, если заглублять фокус линзы на нижнюю поверхность листа. Это объясняется особенностями газодинамики вспомогательного газа. При заглублении фокуса на большую глубину ширина реза растет. Как будет показано в п. 4.1, с увеличением ширины реза, он лучше продувается и, соответственно, лучше удаляется расплав.

2.5 Многомодовое излучение При генерации лазерного излучения нередко возникает не только ТЕМ00мода, которая рассматривалась до этого момента, но и моды более высокого порядка. Модами лазерного излучения являются собственные функции интегрального уравнения типа Фокса и Ли v = vKds, ядро которого имеет A jk (1 + cos )e jkr [90]. Собственные функции данного уравнения в прявид K = моугольных координатах x, y, z, представляются в виде произведений полиномов Эрмита H n ( x ) на гауссову функцию exp( x 2 2 ). Общий вид распределения плотности интенсивности излучения ТЕМmn-моды запишем в виде [90]:

–  –  –

где Pmn - мощность излучения; x, y - полуоси эллипса, который характеризует размер пучка в плоскости xy ; 0x - радиус пучка в фокальной плоскости по x, 0y - радиус пучка в фокальной плоскости по y; H m - многочлен Эрмита степени m, H n - многочлен Эрмита степени n.

В случае цилиндрических координат r, z,, плотность интенсивности выражается через полиномы Лаггера [88]:

–  –  –

где Pmn - мощность излучения; 0 - радиус пучка в фокальной плоскости;

Ln - полином Лаггера.

m Наличие мод более высокого порядка приводит к увеличению размера луча в области фокусировки, и соответственно к уменьшению плотности поглощаемой металлом энергии.

Задача о форме и глубине реза (2.2.1-2.2.3), решалась с учетом соотношений (2.5.1-2.5.2) для различных мод излучения(ТЕМ00, ТЕМ10, ТЕМ01, ТЕМ11, ТЕМ10*). Во всех расчетах использовалась круговая поляризация излучения с положением фокуса на поверхности ( z f = 0 ), = 100. Результаты в координатах, обезразмеренных на 0, представлены на рис. 2.5.1-2.5.4.

–  –  –

В работах [36-38] указывается, что при использовании радиальной поляризации с ТEM10*-модой излучения возможно существенно повысить производительность лазерной резки. Однако в этом случае, как показали расчеты, максимальная глубина и форма реза почти не отличается от круговой поляризации.

Рис. 2.4.7 Форма поверхности при радиальной поляризации излучения ТЕМ10*-мода.

Как видим на рис. 2.5.2-2.5.6 при модах порядка выше нулевого максимальная глубина реза уменьшается. В случае ТЕМ10-моды (рис. 2.5.2), изменение по глубине несущественно, но на фронте реза появляется «уступ», который может отрицательно сказаться на удалении расплава. Такие же «уступы» появляются и в случае ТЕМ11, ТЕМ10*-мод.

На рис.2.5.7 представлена зависимость максимальной глубины реза, в случае, когда в излучении присутствуют 2 моды: ТЕМ00 и ТЕМ10* ( P00 W - отношение энергии ТЕМ00-моды к полной энергии излучения).

Таким образом, на основании численных исследований установлено, что наличие в излучении высших мод существенно уменьшает максимальную глубину реза.

2.6 Модель многократного отражения и поглощения излучения.

Влияние переотражения на глубину и форму реза.

Существующие в настоящее время методы моделирования взаимодействия мощного лазерного излучения с металлами учитывают только однократное поглощение излучения. Поскольку коэффициент поглощения излучения металлом мал и в большинстве случаев не превышает 30%, важную роль играет учет того излучения, которое отражается от стенок реза и может поглотиться в другой области.

Рассматриваемая выше постановка задачи (2.1.1)-(2.1.4) о форме поверхности металла при воздействии на него одномодового лазерного излучения обобщена на случай, когда учитывается многократное поглощение излучения при его распространении в узком канале. Корректная постановка задачи о взаимодействии электромагнитного излучения с произвольной поверхностью металла осложнена необходимостью решения полных уравнений электродинамики. Ниже предложена упрощенная модель и разработан алгоритм, позволяющий рассчитать степень влияния многократного отражения и поглощения излучения на форму поверхности при лазерном сверлении и резке металлов.

Постановка задачи Предлагаемая физико-математическая модель расчета формы поверхности, учитывающая многократное отражение излучения, отличается от (2.1.1)-(2.1.4) тем, что нормальная составляющая скорости перемещения поверхности Vn выражается через сумму всей многократно поглощенной мощности q в каждой точке поверхности. Для вычисления q( x, y, z ) используется траекторный метод, заключающийся в том, что распределение плотности интенсивности гауссова пучка подвергается конечно-элементной дискретизации. В фокальной плоскости гауссова пучка с радиусом 0 выделяется область в 2-3 раза больше диаметра пучка. Эта область разбивается на конечные элементы размерами hx hy.

ласть разбивается на конечные элементы размерами hx hy. Каждый из элементов представляет собой световой луч с координатами xki, yki, zki, содержащий энергию излучения Eki = I ( xki, yki, zki )hx hy. Вектор перемещения луча, совпадает с волновым вектором ki.

Первоначально лучи движутся по траекториям, совпадающим с формой гауссова пучка. При взаимодействии с поверхностью траектория каждого луча изменяет свое направление по закону геометрической оптики (угол падения равен углу отражения). При этом энергия излучения уменьшается на величину, поглощенной поверхностью металла. Предполагается, что после отражения круговая поляризация излучения сохраняется. На рис.

2.6.1 представлена схема двух отражений светового луча от свободной поверхности.

Рис. 2.6.1. Траектория движения светового луча и схема двух его отражений от свободной поверхности.

Волновые векторы падающего k0i и отраженного k1i излучений находятся в одной плоскости с вектором нормали к поверхности N1 и образуют плоскость падения. Направление отраженного излучения k1i определяется из векторного соотношения k1i = k0i 2( N1, k0i ) N1. Поглощенная мощность q ( x, y, zm ( x, y, t )) вычисляется в виде матрицы Q i j. Так для двух

–  –  –

Численный алгоритм предусматривал сглаживание полученной дискретной функции Q i j. Для расчета координат точек пересечения траекторий световых лучей с подвижной поверхностью материала использовался метод аппроксимации поверхности с помощью эрмитовых кубических сплайнов. Разработанный алгоритм следует рассматривать как приближенный, так как после первого отражения гауссова пучка волновые свойства излучения не учитываются, хотя численный алгоритм, предполагающий сглаживание поглощенной мощности, частично устраняет этот недостаток физической модели.

Результаты расчетов.

На рис. 2.6.2а представлены результаты расчета взаимодействия гауссова пучка в канале отверстия, полученного при лазерном сверлении стальной пластины толщиной h = 1мм. Мощность W = 1кВт, глубина заглубления фокуса z f = 0.25 мм, радиус пучка в фокальной плоскости 0 = 100мкм. На рис. 2.6.2б дана пространственная картина распространения пучка излучения в канале разреза при максимальной глубине прорезания металлической пластины. Мощность W = 1кВт, скорость резки Vc = 0.17 м / мин, величина заглубления фокуса z f = 0.25 мм, радиус пучка в фокальной плоскости 0 =100мкм. Горизонтальные линии уровня соответствуют контуру получающейся поверхности. Видно, что световые лучи многократно отражаются от внутренней поверхности канала. Общее количество лучей, на которые разбивался пучок, порядка 10000, на рисунках отображены только наиболее характерные из них.

Для сравнения на рис. 2.6.3 представлены меридиональные сечения отверстия в плоскости ( x, z ) без учета отражения (рис. 2.6.3, а, в) и с отражением (рис. 2.6.3, б, г). Видно, что при сверлении отражений было больше, чем при резке. Однако форма отверстия никак не изменилась, потому что отражаются только периферийные лучи пучка, несущие малое количество энергии. В случае резки с учетом многократного отражения во фронте реза максимальная глубина заметно увеличилась (рис. 2.6.3,г).

-0.2

-0.4

–  –  –

-2 -2

-4 -4

–  –  –

-4

-10

-6

–  –  –

Рис. 2.6.3 Форма отверстия (а, б) при лазерном сверлении и форма реза (в,

г) при лазерной резке без учета переотражения(а, в) и с учетом (б, г) Выводы к главе 2.

Рассмотрена задача описания формы поверхности, образующейся при лазерной резке металлов мощным потоком излучения с TEM 00 -модой.

Исследованы случаи линейной, эллиптической, круговой, радиальной и азимутальной поляризаций луча. Для расчета коэффициента поглощения предложены функциональные зависимости (2.1.11-2.1.15), которые учитывают пространственную ориентацию плоскости падения, что очень важно для резки толстых материалов с большим отношением глубины реза к диаметру гауссова пучка. Численно исследовано влияние характеристик лазерного излучения на форму поверхности и глубину реза. Показано, что максимальная глубина реза достигается при эллиптической поляризации с определенным соотношением полуосей ( 0,75), ориентированной по направлению перемещения луча.

Исследование влияния заглубления фокуса показало, что лучше всего заглублять фокус на середину толщины разрезаемой пластины. Показано, что появление в излучении мод высшего порядка, отрицательно влияет на максимальную глубину реза. Теоретически исследовано многократное поглощение лазерного излучения при его распространении в узком канале.

Показано, что влияние многократного отражения проявляется в большей степени при лазерной резке, чем при лазерном сверлении. При этом увеличивается максимальная глубина реза. Предложенная модель многократного отражения позволяет учесть процесс передачи энергии в глубь канала, что представляется важным при описании процессов лазерной обработки (сверления, резки, сварки) толстых материалов.

Следует заметить, что все выводы сделанные в данной главе, сделаны в приближении об идеальном удалении расплава газовым потоком.

Глава 3. Моделирование газодинамических процессов при лазерной резке металлических пластин.

Математическая постановка задачи и метод численного решения.

В настоящее время стабильная лазерная резка листов толщиной 16 мм и более осложнена проблемой значительного понижения качества поверхности.

Одна из главных причин связана с нарушением эффективного выноса расплава из узкого и глубокого канала. Газодинамика вспомогательного газа - основной процесс, определяющий течение пленки жидкого металла и, соответственно, его удаление из зоны реза. В этой связи становится очень важным детальное исследование газодинамических струйных течений внутри лазерного разреза.

Особенность реальных процессов такова, что в силу локальности действия струи и излучения, описание течения газа необходимо проводить в трехмерной постановке

3.1 Математическая постановка задачи Проведем анализ особенностей газодинамических течений имеющих место при лазерной резке материалов. Рассматривается общая схема взаимодействия струи газа с пластиной имеющей полубесконечный разрез геометрически подобный лазерному резу (рис.3.1.1). Струя газа (азота, аргона или гелия) истекает из сопла расположенного на расстоянии 1 - 5 мм от пластины, толщина которой может составлять 10 30 мм, ширина реза при этом не превышает 0.20.7 мм, диаметр выходного сечения сопла 23 мм.

Для оценки чисел Рейнольдса Re = 0u0 D 0 и Кнудсена Kn = D выбиралось характерное расстояние D равное ширине реза, т.е. порядка 0.5 мм, характерная скорость u 0 = 2c pT0 соответствовала максимальной скорости истечения газа из конического сопла, где T0 - температура газа в объеме. Для азота при T0 =300 К, 0 =1,1 кг/м 3, c p =1038 Дж/(кг К), R =296,9 Дж/(кг К);

0 =1,75 10 5 кг/(м с). Длина свободного пробега молекул газа выражается

–  –  –

1,2 10-4, поэтому использование континуального описания сплошной среды является оправданным. Число Рейнольдса может достигать значений 24000.

Если рассматривать течение в обычном канале, то такое течение следует считать турбулентным. Однако в наших условиях поверхность канала в зоне действия лазерного излучения, которое разогревает металл до температуры плавления и выше, покрыта тонкой пленкой расплава. Эта пленка под силовым воздействием газа течет вдоль поверхности. При наличии жидкой пленки напряжение трения между газом и поверхностью ослабевает, и можно предположить, что при числах Рейнольдса порядка 24000 течение в нашем канале в окрестности фронта реза все еще будет хорошо описываться моделью ламинарного потока.

Область, где задаются параметры газа поступающего в сопло

–  –  –

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2

–  –  –

Рис. 3.3.1 Решение задачи о распаде разрыва. Распределение плотности.

Для небольшого количества точек (50 и 100) размазываются как контактный разрыв, так и фронт ударной волны. В случае 200 расчетных точках ударная волна уже достаточно локализована, хотя стоит отметить, что во всех расчетах ударная волна размазывается на 5 точек. На 500 точках численное решение практически совпадает с точным решением задачи.

На рис. 3.1.2 представлены расчетное и точное решения задачи для 200 расчетных точек.

1.1 0.9 0.8

–  –  –

Рис. 3.3.2 Решение задачи распада разрыва. 200 расчетных точек.

Хотя метод не предполагает выделение разрывов, и они получаются несколько сглаженными, численное решение достаточно хорошо совпадает с точным на всех физических параметров.

Взаимодействие круглой струи с пластиной.

Трехмерный алгоритм и разностная схема тестировались на задаче о взаимодействии круглой струи с плоской преградой. На преграду под углом около 30о натекает струя газа. Газ истекает из трубки диаметром 10мм.

Расстояние от преграды до трубки около 20 мм. Давление перед входом в трубку задавалось равным 5атм. Разрешение сетки 150х350х150 точек.

На рис. 3.3.3 представлена развивающаяся во времени картина истечения струи и ее взаимодействия с преградой в виде изменения градиента плотности или численного шлирена. Ударная волна сферической формы выходит из трубки и, достигнув преграды, отражается от нее. Хорошо видны фронты падающих и отраженных ударных волн. На некотором расстоянии от пластины образуется стоячий скачок уплотнения. Со временем струя переходит в автоколебательный режим так, что периодически от нее отходят волны небольшой интенсивности.

На рис. 3.3.4 приводится сравнение шлирин-фотографии из эксперимента Г.А. Акимова, В.Н. Ускова (БГТУ) и численного шлирена, полученного с помощью выше описанного алгоритма. Мы видим достаточно неплохое совпадение расчета с данными эксперимента. Некоторое различие можно объяснить фазой автоколебания или не совсем точными начальными условиями.

На рис. 3.3.5 представлено распределение давления и линий тока. Линии тока плавно проходят вдоль непроницаемых поверхностей и преломляются на скачках.

–  –  –

Выводы к главе 3.

На основе численного решения полных уравнений Навье-Стокса разработана вычислительная технология математического моделирования трехмерных течений вязкого, сжимаемого и теплопроводного газа. Программа показала неплохие результаты при тестировании классических задач газовой динамики и может применяться для расчетов поставленной задачи.

Глава 4. Численное моделирование струйных течений вспомогатель-ных газов

На основании вышеизложенного метода проведены расчеты течения вязкого, сжимаемого, теплопроводного газа в узкой щели применительно к процессам газолазерной резки металлов. Проводились многовариантные вычисления, в которых варьировались следующие параметры задачи: конфигурация сопла (звуковое или сверхзвуковое), параметры сопла (диаметры выходного и критического сечений, длина сверхзвуковой части сопла), ширина и глубина реза, входное давление газа, поступающего в сопло и величина зазора между соплом и пластиной. Результаты численного моделирования газодинамических течений условно разделены на три группы по отношению к их практическому применению: а) газодинамика резки с нейтральным газом (аргон, азот, гелий);

б) газодинамика резки с активным газом кислородом и в) газодинамика кислородно-лазерной резки. В первом случае, определяющим является высокое давление вспомогательного газа (которое изменяется в диапазоне от 6 до 20 атм), во втором низкое давление рабочего газа кислорода (до 1.5-2 атм). В случае кислородно-лазерной резки, используются большое давление (8-10 атм), а ширина канала реза при этом соизмерима с диаметром струи режущего кислорода.

В данной работе исследуются только газодинамические явления, и когда рассматриваются течения газа, сопровождающие резку с кислородом, химические процессы не учитываются.

4.1 Сверхзвуковые течения при газолазерной резке с нейтральным газом Как уже отмечалось выше, для изучения механизмов управления газовым потоком, в расчетную схему дополнительно включен сопловой блок, в котором могла быть легко изменена форма сопла (рис. 3.1.1). Для исследования сверхзвуковых течений при резке с нейтральным газом использовались два типа сопел: звуковое (коническое) и сверхзвуковое (типа сопла Лаваля).

Использование звукового соплa В основном при лазерной резке используются звуковые сопла с коническими или цилиндрическими насадками. Ниже представлены результаты расчетов, в которых были использованы параметры реального сопла, применяемого на АЛТК ИТПМ СО РАН. Схема расположения сопла и его геометрия приведены на рис. 4.1.1.

На рис. 4.1.2 показаны особенности канально-щелевого струйного течения, которое формируется при давлении в предсопловом объеме 7 атм. Ширина щели 0.5 мм, зазор между соплом и пластиной 1.5 мм, толщина пластины 15 мм, диаметр выходного сечения сопла 2.5 мм. Линии тока газа хорошо показывают направленность течения и образование вихрей.

а б в г Рис. 4.1.2. Истечение газа из звукового сопла, давление на входе P=7 атм, ширина щели h=500 мкм, зазор между пластиной и соплом s=1.5 мм, толщина пластины H=15 мм. а) линии тока газа в сечении xz по центру сопла; б) распределения числа Маха в сечении xz ; в) линии тока в сечении yz по центру сопла, вдоль поверхности реза;

г) увеличенный и расширенный фрагмент линий тока в сечении YZ.

Струя газа, взаимодействуя с преградой, разделяется надвое. Одна часть струи растекается по поверхности пластины, проникая через зазор, а другая – устремляется в узкую щель, ширина которой во много раз меньше диаметра сопла. Однако, не смотря на то, что щель узкая, она хорошо продувается, при этом перед щелью мы видим два больших противоположно направленных вихря. На выходе из щели, рис. 4.1.2, наблюдается периодическое образование малых вихрей, которые, попеременно отрываясь, сложным образом объединяются и двигаются как единое целое. Внутри щели, рис. 4.1.2а, линии тока существенно отклоняются от оси сопла и внутренней стенки канала, имитирующей фронт лазерного реза. Наблюдается отрыв потока газа от фронта реза и образование возвратного течения, которое вовлекает в свое движение газ из внешней среды (рис. 4.1.2г). Этот факт неоднократно подтверждался на практике, когда во время резки нержавеющей стали с азотом, нижняя кромка реза чернела, так как в рез проникал кислород из атмосферы.

Модельные эксперименты Юдина П.В. [70] с визуализацией струйных течений в каналах геометрически подобных лазерному резу подтвердили расчетнотеоретические выводы. На рис. 4.1.3 представлено сопоставление результатов численного и экспериментального моделирования. Теневой снимок течения, рис. 4.1.3б, получен шлирен-методом, фотография на рис. 4.1.3в демонстрирует результат метода, основанного на нанесении жидкого покрытия на внутреннюю стенку щелевого канала. Внутри канала газ начинает интенсивно расширяться и ускоряться (область 1 на рис. 4.1.3). Хорошо видно, что в данной области течение газа ламинарное. Это оправдывает предположения, обосновывающие расчетную модель. В зоне отрыва (область 2, рис. 4.1.3) наблюдается крупномасштабное вихревое течение, при котором на стенках канала накапливается жидкость. Такое движение вспомогательного газа в натурных условиях при лазерной резке будет способствовать накоплению расплава в зоне отрыва и плохому его удалению, что непосредственно скажется на изменении формы и размеров шероховатости. После прохождения прямого скачка поток турбулизуется (область 3, рис. 4.1.3).

–  –  –

По результатам, накопленным в расчете и эксперименте можно сформулировать физические причины возникновения отрыва потока газа следующим образом. Газ попадает в канал реза под большим давлением, и начинает интенсивно расширяться. Поскольку газ не имеет возможности расширяться во все стороны, струя приобретает импульс по направлению от стенки. Расширение газа происходит до давления, меньшего, чем атмосферное, подобно случаю истечения недорасширенной струи из сопла Лаваля. При этом газ приобретает сверхзвуковую скорость. Последующее сжатие происходит посредством скачков уплотнения. Центральная часть тормозится за счет прямого скачка. Периферия поджимается к центру косыми скачками. Так как полный импульс и центральная линия струи теперь направлены под углом к фронту реза, сжатие струи сопровождается отрывом от стенки. Точка отрыва совпадает с местом взаимодействия косого скачка со стенкой канала. Следует ожидать, что если газ будет попадать в канал при меньшем давлении и с большей скоростью (так чтобы струя имела значительный начальный импульс в нужном направлении), отрыв будет слабее или исчезнет вовсе. Это обстоятельство объясняет преимущество использования сверхзвукового сопла, к описанию которого мы переходим ниже.

Использование сверхзвукового сопла Как показали расчеты, использование в тех же условиях сверхзвукового конического сопла c большим диаметром выходного сечения, рис. 4.1.4, улучшает описанную выше ситуацию. На рис. 4.1.4а линии тока хорошо прилегают к фронту реза, в целом течение безотрывное, хотя струя также существенно отклоняется от осевой линии сопла. При заданных параметрах сопла и зазора в 1 мм газ успевает разогнаться до сверхзвуковых скоростей еще в сопле, рис.

4.1.4б, в зазоре газ испытывает некоторое торможение и переход через прямой скачок уплотнения у входа в щель, а затем внутри щели вновь разгоняется расширяясь. Внутри щели образуется сверхзвуковая зона, рис. 4.1.4б, заполняющая все пространство щели с числом Маха M 2.

Перед входом в щель газовая струя более широкая с равномерно распределенными параметрами, отрыва потока нет, пограничный слой на фронте реза одинаково тонок по всей толщине, вихри при этом не возникают. Результаты расчетов качественно согласуются с теневой фотографией, рис. 4.1.5, полученной при лабораторном моделировании и визуализации шлирен-методом сверхзвуковых струйных течений. При использовании сверхзвукового сопла продуваемость лазерной щели улучшается. В этом случае в натурных экспериментах следует ожидать хорошую работу газа по уносу расплава и, как следствие, улучшение качества поверхности.

–  –  –

15 1.99 14 1.86 13 1.72 12 1.59 11 1.46 10 1.33 9 1.19 8 1.06 30 7 0.93 6 0.80

–  –  –

4 0.53 8 1 3 0.40 2 2 0.27 1 0.13

–  –  –

Рис. 4.1.4 Истечение газа из сверхзвукового сопла, давление на входе P=7 атм, ширина щели h=500 мкм, зазор между пластиной и соплом s=1.5 мм, толщина пластины H=15 мм. а) линии тока газа в сечении xz по центру сопла; б) распределения числа Маха в сечении xz.

Рис. 4.1.5. Визуализация шлирен-методом сверхзвуковых струйных течений [69].

Исследование влияния входного давления и ширины канала на отрыв потока.

На основе многовариантного численного и экспериментального моделирования струйной газодинамики ниже приведены результаты исследований особенностей отрывных течений в более глубоких щелевых каналах. Изучалось влияние изменения входного давления газа и ширины канала. Представленные выше расчеты показали, что использование сверхзвукового сопла может обеспечить безотрывное течение газа для каналов глубиной до 10-15 мм и шириной 0.5-0.7 мм. При дальнейшем увеличении глубины канала отрыв потока снова возникает, и бороться с ним, как оказалось, удается за счет повышения входного давления или ширины продуваемого канала.

В первой серии вычислительных экспериментов изучалось влияние входного давления на течение газа в канале с размерами 1,2х30 мм. С ростом давления зона отрыва вытесняется к выходу из щели (рис. 4.1.6 а, б, в).

Для того чтобы обеспечить полное вытеснение отрывной зоны, при толщине листа 30 мм, необходимо повысить входное давление более чем до 20 атм. Увеличение давления до таких значений и выше, приводит к росту расхода газа, повышению требований к прочности газоподводящей системы и, как следствие, к дополнительным ресурсным затратам. Слабым местом здесь является оптическая система (ZnSe линза).

Во второй серии расчетов варьировалась ширина щелевого канала, и исследовалось влияние этой ширины на характеристики течения и отрыв (рис.

Рис. 4.1.7 а, б, в). Расчетным путем установлено, что с увеличением ширины канала область отрыва уменьшается, и при ширине близкой к диаметру критического сечения сопла, отрыв полностью исчезает.

–  –  –

Рис. 4.1.6. Влияние входного давления газа [ p, MPa: 0.8(a), 1.2(б), 1.6(в)] на размеры сверхзвуковой области и зоны отрыва потока. Распределения числа Маха внутри щели в зависимости от входного давления газа. Толщина щели 1 мм, глубина щели 30 мм.

–  –  –

Рис. 4.1.7. Влияние ширины канала [ h, мм: 0.7(а), 2(б) 3(в), 4(г)] на характеристики отрыва потока. Распределение числа Маха внутри щели в зависимости от ширины канала. Сопло сверхзвуковое, входное давление 0.8 МПа; глубина канала 30 мм.

Эксперименты качественно подтвердили расчет. На рис. 4.1.8, 4.1.9 представлены графики зависимости положения точки отрыва x от входного давления p, полученные с использованием звукового и сверхзвукового сопел. Исследовались течения в каналах различной длины и ширины. Данные получены при обработке теневых фотографий. Примеры фотографий, по которым определялось положение точки отрыва, также приведены на рисунках.

9,0 8,5

–  –  –

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

–  –  –

Рис. 4.1.8. Зависимость глубины точки отрыва от входного давления. Ширина канала: 0.7мм, глубина 20мм. Представлена шлирен-фотография для случая конического сопла и давления 12 атм [70].

separation depth, mm

–  –  –

Рис. 4.1.9. Зависимость глубины точки отрыва от входного давления: ширина канала:

1.0мм, глубина 20мм. Представлена шлирен-фотография для случая сверхзвукового сопла и давления 10 атм [70].

Таким образом, сопоставляя данные результатов расчетов и экспериментов, можно высказать следующее предположение. Увеличение давления производит смещение точки отрыва вглубь канала, и если он не очень глубокий, можно повысить давление до такой величины, что течение внутри канала будет безотрывным. Но для фиксированной ширины канала существует такая глубина, ниже которой сместить точку отрыва за счет повышения давления становится невозможно. В таком случае бороться с отрывом можно путем расширением канала, потому что согласно проведенным исследованиям, даже небольшое увеличение ширины канала значительно понижает диапазон давлений, при котором возможно управление отрывом.

Влияние отрыва потока на удаление расплава и образование шероховатости.

Соображения, приведенные в данном разделе, основываются на сопоставлении результатов вычислений с данными по визуализации газового потока [70] и экспериментальными данными, полученных при визуализации процесса лазерной резки легкоплавкого сплава на специально разработанной модельной установке [69].

Образование борозд шероховатости происходит при взаимодействии потока газа с расплавом металла. Регулярность появления борозд связана с неустойчивостью, которая носит периодический характер и вызвана особенностями струйного течения газа и расплава металла на границе контакта. На рис. 4.1.10 представлено сопоставление численных расчетов, результатов наблюдения и визуализации, а также фотографии образцов поверхности металла после лазерного воздействия, что дает наглядное объяснение тому, как изменение параметров течения газа около поверхности фронта реза может повлиять на структуру (форму и размеры борозд) шероховатости. В верхней части канала газовый поток, хорошо прилегающий к фронту реза, создает достаточное силовое воздействие на расплав, который движется в виде тонкой пленки. Бороздки шероховатости образуются вблизи фронта реза в виде мелких штрихов.

–  –  –

г д е Рис. 4.1.10. Влияние отрыва потока газа на качество поверхности лазерного реза. Результаты моделирования и визуализации: a – теневая фотография; б – линии тока газа, численное моделирование; в – кадр киносъемки процесса лазерной резки сплава Розе.

Образцы поверхности с дефектами после лазерного воздействия: г – нержавеющая сталь, толщина 5 мм; д – нержавеющая сталь, толщина 16 мм; е – титан, толщина 30 мм.

В нижней части фронта реза, где имеется отрыв потока, возникающее вихревое движение газа препятствует нормальному течения пленки расплава, или даже вызывает возвратное ее течение в направлении противоположном основному потоку (силы гравитации пренебрежимо малы). В результате происходит разрушение пленки в области точки отрыва газа. Часть образовавшихся капель расплава покидает канал увлекаемые газом, а другая их часть прилипает к боковой поверхности, образуя более крупные бороздки шероховатости после остывания. Наличие отрывного течения газа приводит к снижению качества поверхности реза. Требуется управлять параметрами газовой струи таким образом, чтобы избежать или свести до минимума влияние отрыва потока.

4.2 Дозвуковые течения в узком канале, подобные течениям при лазерной резке с кислородом Проблема исследования газодинамики дозвуковых течений внутри узкого и плоского канала возникает при изучении механизма газолазерной резки стальных металлических листов с использованием кислорода в качестве рабочего вспомогательного газа. Экспериментально показано, что лазерная резка с кислородом может обеспечивать качественную поверхность деталей только при использовании очень чистого кислорода, при этом используются низкие рабочие давления порядка 1.1-1.6 атм. В противном случае возникает неуправляемый режим горения металла, при котором стенки канала получаются рваными, рез становится очень широким.

Для исследования течения использовалась та же расчетная схема (рис.

3.1.1) со следующими параметрами: ширина реза 1мм, толщина пластины 30 мм, выходной диаметр сопла 1мм, давление на входе в сопло 1.5 атм.

Химические реакции окисления в расчетах не учитывались.

На рис. 4.2.1 представлены линии тока газа в осевой плоскости щелевого канала, а также контурные линии скорости VZ. При таких низких входных давлениях газа явление отрыва потока не наблюдается, течение газа все время остается дозвуковым и ламинарным. Можно видеть, что в осевой плоскости X,Z при Y=0 линии тока в самой струе прямолинейные, а вблизи стенки при Y=0.4 мм несколько искривлены. Так как давление в струе ниже атмосферного, наблюдается активный приток в струю окружающего газа с периодическим локальным образованием небольшого вихря на границе струи. В нижней части канала (перед выходом) на границе струи существует большой нестационарный вихрь.

Рис. 4.2.1 Линии тока газа внутри канала и контурные линии VZ компоненты вектора скорости: (а) - плоскость xz в близи стенки при Y=0.4 мм. (б) - плоскость xz по центру при Y=0;

Эти результаты также получили подтверждение в модельных экспериментах Юдина П.В. [70]. На рис. 4.2.2а представлен фотоснимок визуализации дозвукового течения в узком канале, подобном лазерному резу при помощи нанесения жидких покрытий. Общей чертой, характеризующей течение в диапазоне избыточного давления от 0.1 до 1 атм. для всех сопел, исследованных в работе, является образования вихря, который отчетливо виден на рисунке 4.2.2. Жидкость накапливается в зоне занятой вихрем.

На некоторых установках для лазерной резки с кислородом, используется двойное сопло. Как предполагалось, его основной функцией было экранирование кислородной струи от внешней атмосферы. При этом было известно, что второе сопло существенно улучшает качество резки, при некотором пороговом давлении во внешнем сопле(~1.7 атм.). Дальнейшее увеличение давления не дает заметных преимуществ. Как было показано в работе [70], это критическое давление связано с условием, когда струя газа из внешнего сопла разрушает вихрь.

–  –  –

Рис. 4.2.2 Сравнение результатов визуализации методом жидких покрытий (а), численного моделирования(б), и образца резки(в).

Таким образом, обнаружено образование вихря при выходе из канала, что является причиной зашлаковывания нижней кромки реза или образования грата при лазерной резке с кислородом.

4.3 Анализ струйных течений и выбор оптимальной формы сопла для кислородно-лазерной резки типа LASOX.

Известно [65], что при кислородно-лазерной резке (LASOX) толстолистовой стали толщиной до 50 мм, главную роль играет струя режущего газа кислорода. При определенных условиях минимального лазерного подогрева возбуждаются гетерогенные химические реакции окисления железа в кислороде с выделением большого количества тепла на металлической поверхности, металл окисляется и удаляется тем же потоком. Ширина реза, которая получается в этом случае, сравнима по величине с диаметром струи кислорода. Одной из главных проблем здесь является оптимизация конфигурации сопла резака для организации эффективной сверхзвуковой струи кислорода. Схема резки типа LASOX представлена на рис. 4.3.1.

ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

–  –  –

Для эффективной резки установка должна удовлетворять следующим требованием:

1) Лазерное излучение должно беспрепятственно проходить через сопло.

2) На поверхности металла формируется пятно излучения, которое по величине больше диаметра истекающей струи кислорода (рис. 4.3.1), при этом температура поверхности в этой области должна быть достаточна для инициации реакции горения железа в кислороде.

3) Струя газа имеет достаточно протяженную сверхзвуковую область, сравнимую по величине с толщиной разрезаемого листа, для того чтобы обеспечить минимальный угол наклона стенок реза к вертикали и хорошее удаление продуктов окисления металла.

Автором, совместно с Шулятьевым В.Б. на основе [95] и условий, которые могли быть осуществлены на реальной установке, были спроектированы 3 формы сверхзвуковых сопла, которые при заданном зазоре между пластиной и соплом удовлетворяли пунктам 1 и 2, вышеперечисленных условий. Эти формы сопел были подставлены в расчетную область, которая использовалась в расчетах для лазерной резки в п. 4.1, 4.2. Ширина канала принималась равной выходному диаметру сопла. Входное давление задавалось 8 атм., по предварительным оценкам, это давало бы оптимальный расход кислорода. Химические реакции окисления и прогрев газа от стенок поверхности реза в расчетах не учитывались.

На рис. 4.3.1 представлены поля скоростей газа, а так же увеличенные фрагменты в области между соплом и пластиной. При входе в область реза, третье сопло показало оптимальные характеристики течения: струя газа, обладает почти цилиндрической формой, течение почти равномерное до самой внешней границы пластины. На рис. 4.3.2 представлена визуализация течения из такого сопла, полученная шлирен-методом при давлении 8 атм [70].

Использование сопла с такими параметрами на установке АЛТК ИТПМ СО РАН позволило получить образцы резки низкоуглеродистой стали толщиной до 50 мм с хорошим качеством (рис. 4.3.4 в, г).

Dk=1.0mm Dv=3.0mm 20 Lr=8.0mm

–  –  –

При исследовании сверхзвуковых течений газа, в щели, которые имеют место при кислородно-лазерной резке типа LASOX, построена оптимальная конфигурация сопла, которая создает внутри реза равномерное струйное течение и обеспечивает хорошее удаление расплава и качество поверхности реза.

Выводы к главе 4 Представлены результаты расчетных исследований сверхзвуковых течений газа в узких каналах применительно к условиям газолазерной резки толстолистовых металлов с нейтральными или инертными вспомогательными газами. Показано, что в условиях лазерной резки металлов проблема качества поверхности связана с отрывом потока и образованием возвратного течения, которое препятствует удалению расплава и является причиной повышения шероховатости поверхности в зоне отрывного течения. Лимитирующим фактором, сдерживающим переход к резке более толстых листовых материалов, является ширина лазерного реза. Показано, что при увеличении ширины канала, эффективность уноса расплава газом вновь будет возрастать, поэтому при резке толстолистовых материалов нужно не только повышать мощность излучения и входное давление рабочего газа, но и увеличивать радиус пучка с тем, чтобы иметь более широкий и хорошо продуваемый лазерный рез.

Практическое использование сверхзвуковых газовых сопел при лазерной резке толстолистовых материалов с экономической точки зрения является более предпочтительным.

Проведены теоретические исследования особенностей дозвуковых струйных течений вспомогательного газа, применительно к физическим условиям кислородной газолазерной резки стальных листов. На свободной границе газового потока при выходе из канала обнаружен масштабный вихрь.

Данное вихревое образование является характерным для одинарных сопел и имеет свойство накапливать в себе жидкость, стекающую по стенкам канала, что является причиной зашлаковывания нижней кромки реза или образования грата при лазерной резке с кислородом.

При исследовании сверхзвуковых течений газа, в щели, которые имеют место при кислородно-лазерной резке типа LASOX, построена оптимальная конфигурация сопла, которая создает внутри реза равномерное струйное течение и обеспечивает хорошее удаление расплава и качество поверхности реза.

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

1. Получена новая аналитическая формула для расчета коэффициента поглощения излучения, которая обобщает описание поляризаций трех типов (линейной, круговой и эллиптической), при этом учитывается, что взаимодействие пучка может происходить с поверхностью металла произвольной формы. Показано, что оптимальной поляризацией излучения для резки металла является эллиптическая поляризация с отношением b/a~0.75, ориентированная по направлению движения луча.

2. Предложена модель многократного поглощения и отражения лазерного излучения при его распространении внутри узких каналов и щелей. Модель позволяет описать процесс передачи энергии вглубь канала, что является важным при описании процессов лазерной обработки толстых материалов.

Показано, что влияние эффекта многократного отражения проявляется в большей степени при лазерной резке, увеличивая максимальную глубину реза.

3. Разработана компьютерная программа решения полных трехмерных уравнений НавьеСтокса, проведено численное моделирование пространственных струйных течений вязкого теплопроводного газа в узком канале лазерного реза и дано объяснение механизму изменения величины шероховатости с повышением толщины материала.

4. Обнаружено явление «отрыва» газа от фронта реза, что является причиной ухудшения качества лазерного реза.

5. Обнаружено образование вихря при выходе из канала, что является причиной зашлаковывания нижней кромки реза или образования грата при лазерной резке с кислородом.

6. Исследованы возможности эффективного использования сверхзвуковых газодинамических сопел в лазерной резке толстолистовых металлов

7. На основе полученных расчетов, даны практические рекомендации, которые позволили улучшить качество поверхности реза и перейти к резке более толстых листовых металлов с толщиной от 30 до 50 мм с шириной реза от

0.4 до 2.6 мм, производимых на автоматизированном лазерном технологическом комплексе ИТПМ СО РАН.

Список литературы

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

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

3. Ready J.F., Farson D.F. LIA Handbook of Laser Materials Processing 20 // Laser Institute of America, 2001.

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

5. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов.// М.:

Машиностроение, 1988.

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

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

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

9. Голубев В.С. О механизмах удаления расплава при газолазерной резке материалов// Е-принт ИПЛИТ РАН, № 3, 2004

10. Aldo V. La Rocca// Proc. Spie 2097, pp. 100-111,1993.

11. Shang-Liang Chen, W. O'Neill The effects of power rippling on CO2 laser cutting //Optics and Lasers technology 29 № 3 (1997) pp. 125-134.

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

13. Wolfgang Schulz, Vadim Kostrykin, Markus Nieben, Jan Michel, Dirk Petring, Ernst W Kreutz and Reinhart Poprawe Dynamics of ripple formation and melt flow in laser beam cutting// J. Phys. D: Appl. Phys. 32 (1999) pp. 1219–1228.

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

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

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

17. Y.Lawrence Yao·Hongqiang Chen·Wenwu Zhang Time scale effects in laser material removal: a review //Int J Adv Manuf Technol (2004).

18. Giovanni Tani, Luca Tonissani, Giampaolo Campana, Prediction of melt geometry in laser cutting,// Applied surface science V 208-209(2003), pp. 142-147.

19. Giovanni Tani, Luca Tomesani, Giampaolo Campana, Alessandro Fortunato Quality factors assessed by analytical modelling in laser cutting Thin Solid Films// Applied surface science 453 –454 (2004) pp. 486–491.

20. Lee Mein Wee, Lin Li An analytical for striation formation in laser cutting// Applied Surface Science, 2005.

21. I. Black A Comparison of Severance Energies for Reactive CO2 Laser Cutting of Mild Steel// Int J Adv Manuf Technol (1999) т. 15: pp. 832–834.

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

1357-1363.

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

24. A. Lamikiz, L.N. Lopez de Lacalle, J.A. Sanchez, D. del Pozo, J.M. Etayo, J.M. Lopez CO2 laser cutting of advanced high strength steels (AHSS) Applied Surface Science 242 (2005) pp. 362–368.

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

26. U. Dilthey, M. Faerber, J. Weick Laser cutting of steel-cut quality depending on cutting parameter. //Препринт Международного Института Сварки(IIW-doc.ie 115-91).

27. M. Lepore, M. Dell'Erba, C. Esposito and G. Daurelio A. Cingolani An investigation of the laser cutting process with the aid of a plane polarized CO2 laser beam //Optics and Lasers in Engineering Volume 4, Issue 4, 1983, pp. 241-251.

28. 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, 37, №6, 2007.

29. Афонин Ю.В., Голышев А.П., Иванченко А.И., Малов А.Н., Оришич А.М., Печурин В.А., Филев В.Ф., Шулятьев В.Б. Генерация излучения с качеством ТЕМ00 моды в непрерывном СО2- лазере мощностью 8 кВт// Квантовая электроника. 2004. Т. 31, No 4. С.307-310.

30. Малов А.Н., Малов Н.А., Оришич А.М., Шулятьев В.Б. Резка толстых металлических пластин излучением СО 2 лазера с самофильтрующим резонатором //Материалы IV международной научно-технической конференции «Лазерные технологии и средства их реализации».

31. Оришич А.М., Шулятьев В.Б., Константинов С.А. Резка металлов излучением СО2-лазера с самофильтрующим резонатором // Тезисы докладов VII Междунар. Конф. «Лазерные и лазерно-информационные технологии»

32. А.М. Прохоров, В.И. Кононов, И. Урсу, И.Н. Михэилеску Взаимодействие лазерного излучения с металлами.// М: Наука, 1988

33. Веденов А.А., Иванов О.П., Черняков А.Л. Теория разрушения поверхности непрозрачных материалов лазерным излучением //Квантовая электрон. 1984. Т.11, № 12. С. 2397-2404.

34. Черепанов Г.П., Черепанов А.Г. О форме и глубине реза лазерным лучом// Физика и химия обраб. Материалов. 1990. №2. С. 133-137.

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

36. Нестеров А.В., Низьев В.Г. Особенности резки металлов лазерным лучом с осесимметричной поляризацией// Изв. РАН. Сер. Физ. 1999. Т. 63, №

10. С. 2039-2046.

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

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

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

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

41. Chun-Hui Niu, Ben-Yuan Gu, Bi-Zhen Dong and Yan Zhang A new method for generating axially-symmetric and radially-polarized beams// J. Phys. D: Appl.

Phys. 38 (2005) pp. 827–832

42. Yonggang Lia, William P. Latham, Aravinda Kar, Lumped parameter model for multimode laser Cutting// Optics and Lasers in Engineering 35 (2001) 371–386

43. A. Kar, J.E. Scott, W.P. Latham. Effects of mode structure on tree dimensional laser heating due to single or multiple rectangular laser beams. //Journal of Applied physics V 80 N 2 July 1996 pp. 667-674

44. Kaplan A. A model of deep penetration laser welding based on calculation of the keyhole profile// J.Phys. D. Appl. Phys. 1994. Vol.27. 1994, P. 1805-1814.

45. Minamida K., Takaafuji H., Hamada N. et al. Wedge shape welding with multiple reflecting effect of high power CO 2 laser beam// Proc. Of the Intern.

Congress on applications of lasers and electro-Optics, 1986, pp.. 97-104.

46. Milewski J., Sklar E. Modeling and validation of multiple reflections for enhanced laser welding// Modeling Simul. Mater. Sci. Engng. 1996., Vol. 4. pp..305Кривцун И.В., Талерко А.Н. Влияние поляризации излучения на поглощение лазерного пучка при сварке с глубоким проплавлением.//Автоматическая сварка, 2004, т. 6, с. 29-34

48. Minna Valkamma, Steen Erik Nielsen Dual-focus laser cutting of mild steel, norlas transactions. //Welding in the World, March-April 2002, vol 46, N° 3/4, pp.

33-40

49. P.A. Molian Dual-beam CO2 laser cutting of thick metallic materials// Journal of material science (28) 1993 pp. 1738-1748.

50. Duan J., Man H.C., Yue T.M., Modeling the laser fusion cutting process. I.

Mathematical modeling of the cut kerf geometry for laser fusion cutting of thick metal// J. Phys. D. Appl. Phys. 2001. V. 34, 2001, pp. 2127-2134.

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

52. Man H C, Duan J, and Yue T M 1999 Analysis of the dynamic characteristics of gas flow inside a laser cut kerf under high cut-assist gas pressure //J.

Phys. D: Appl. Phys. 32 pp. 1469-77.

53. Duan J, Man H C and Yue T M 2001 Modeling the laser fusion cutting

process: II. Distribution of supersonic gas flow field inside the cut kerf //J. Phys. D:

Appl. Phys. 34 pp. 2135-2142.

54. Duan J, Man H C and Yue T M 2001 Modeling the laser fusion cutting

process: III. Effects of various process parameters on cut kerf quality// J. Phys. D:

Appl. Phys. 34 pp. 2143-2150

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

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

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

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

59. O’Neill W and Steen W M 1995 A three-dimensional analysis of gas entrainment operating during the laser-cutting process // Journal Physics D: Applied Physics.. Vol. 28, pp. 12-18.

60. Р.С. Патель, М.К. Брюстер Лазерное сверление металлов в газовой струе. Экспериментальные результаты// Аэрокосмическая техника №11, 1991г

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

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

63. 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, 40 (1994) pp. 359-374.

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

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

66. 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. 36 (2003) pp. 929–938

67. 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. 12 (2004) pp. 1237–1249

68. Markus S Gross On gas dynamic effects in the modeling of laser cutting processes //Applied Mathematical Modelling (2005)

69. Yudin P.V., Petrov A.P., Kovalev O.B. Experimental modeling and high speed photographic studies of gas laser cutting of sheet metal// Proc. SPIE, Vol.

6279, 627917 (Jan. 11, 2007)

70. Yudin P.V., Petrov A.P., Kovalev O.B., A. M. Orishich Experimental investigation of specific features of supersonic gas-jet separation from the wall inside a plane channel and gas-dynamics of subsonic near-wall flow inside semi-limited slot //International Conference on the Methods of Aerophysical Reasearch: Proceedings Part IV, Novosibirsk, 2007.

71. G V Ermolaev, O B Kovalev, A M Orishich and V M Fomin Mathematical

modelling of striation formation in oxygen laser cutting of mild steel // J. Phys. D:

Appl. Phys. 39 (2006) pp. 4236–4244

72. Зайцев А.В., Ковалев О.Б. Моделирование формы свободной поверхности при лазерной резке металлов. 1. Влияние поляризации гауссова пучка на форму образующейся поверхности // Прикладная механика и техническая физика. 2004. Т. 45, №6. С. 169-177

73. Зайцев А.В., Ковалев О.Б., Оришич А.М., Фомин В.М. К теории разрушения поверхности металлов под действием лазерного излучения // Доклады Академии наук. 2004. Т. 395, №1. С.47-50

74. Зайцев А.В., Ковалев О.Б. Моделирование формы свободной поверхности при лазерной резке металлов. 2. Модель многократного отражения и поглощения излучения // Прикладная механика и техническая физика. 2005.

Т. 46, №6. С. 16-20

75. Zaytsev A.V., Kovalev O.B., Orishich A.M., and Fomin V.M.. Numerical analysis of the effect of the TEM00 radiation mode polarization on the cut shape in laser cutting of thick metal sheets // Quantum Electronics. 2005. Vol. 35. No. 2, P. 200-204.

76. Зайцев А.В., Ковалев О.Б., Оришич А.М., Фомин В.М., Шулятьев В.Б.

Газодинамика лазерной резки толстолистовых металлических пластин непрерывным СО2-лазером // Вычислительные технологии. 2006. Т. 11. Спец.

вып. Ч. 1. С. 74-83.

77. Зайцев А.В. Исследование влияния плотности и поляризации излучения на форму поверхности реза при газолазерной резке металла // VII Всероссийская конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики»: Тезисы докладов. Новосибирск:

Институт теплофизики СО РАН, 2002. С. 192-193.

78. Зайцев А.В. Моделирование влияния многократного переотражения и поляризации излучения в газолазерной резке металлов // Девятая всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых: Тезисы докладов Ч. I. Красноярск, 2003. С. 372-373.

79. Зайцев А.В. Физико-математическое моделирование газолазерной резки // Материалы XLI Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс». Новосибирск, 2003. С. 46-47

80. Ковалев О.Б., Зайцев А.В. Моделирование задач сопряженного тепломассообмена в процессах газолазерной резки материалов // V Минский международный форум по тепло- и массообмену: Тезисы докладов и сообщений. Т. 1. Минск, 2004. С. 182-183.

81. Зайцев А.В., Смирнова Е.М. Исследование влияния различных мод излучения на форму поверхности при лазерной резке металлов // Материалы XLIII международной научной студенческой конференции «Студент и научнотехнический прогресс». Секция «Физика». Новосибирск, 2005. С. 48.

82. Зайцев А.В. Физико-математическое и численное моделирование процессов лазерной резки толстых листов материалов // Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005»: Тезисы докладов. Т. 1. Москва, 2005. С.187-188.

83. Зайцев А.В., Смирнова Е.М. Анализ влияния поляризации и различных мод излучения на форму поверхности при лазерной резке металлов // Двенадцатая всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-12): Материалы конференции, Новосибирск, 23–29 марта 2006 г. Новосибирск, 2006. С. 685-686.

84. Zaitsev A.V., Kovalev O.B., and Fomin V.M. Mathematical simulation of gas flow applied to laser cutting // Technical Digest / IX International Conference Laser and Laser-Information Technologies: Fundamental Problems and Applications.

Smolyan, Bulgaria, October 4-7, 2006. Smolyan, Bulgaria, 2006. P. 41.

85. Orishich A.M., Kovalev O.B., Malikov A.G., Shulyat’ev V.B., Zaitsev A.V., and P.V. Yudin. Aspects of gas dynamics of laser assisted oxygen cutting of carbon steel // Technical Digest / IX International Conference Laser and Laser-Information Technologies: Fundamental Problems and Applications. Smolyan, Bulgaria, October 4-7, 2006. Smolyan, Bulgaria, 2006. P. 45.

86. Зайцев А.В., Ковалев О.Б., Оришич А.М., Шулятьев В.Б. Проблемы физического и математического моделирования лазерной резки толстых листов металла // IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике:

Аннотации докладов, Нижний Новгород, 22–28 августа 2006 г. Т. 2. Нижний Новгород, 2006. С. 87-88.

87. Zaitsev A.V. and Kovalev O.B. Physical-mathematical model of multiple reflection of radiation in laser welding, cutting and drilling the metal //16th

International Conference Computer Technology in Welding and Manufacturing:

Proceedings of Joint International Conference, Kiev, 6–8 June, 2006, Kiev Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine. Kiev, 2006. P. 322-326.

88. А.Н. Ораевский Гауссовы пучки и оптические резонаторы// Труды Физ.

Ин-та им. П.Н. Лебедева. М., 1988. Т. 187:.

89. Борн М., Вольф Э. Основы оптики// М.: Наука, 1970.

90. Карлов Н. В. Лекции по квантовой электронике// М.: Наука, 1988.

91. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика// М.: Наука, 1976.

92. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя// М.: Наука, 1974.

93. Ковеня В. М., Тарнавский Г. А., and Черный С Г 1990 Применение метода расщепления в задачах аэродинамики// Новосибирск: Наука, 1986

94. Ковеня В. М. and Яненко Н. Н. Метод расщепления в задачах газовой динамики // Новосибирск: Наука, 1986

95. Никифоров Н.И., Пик О.К. Выбор размеров сверхзвуковых сопел для кислородной резки металла и анализ их основных технологических особенностей// Сборник научных трудов по редакцией Н.И. Никифорова.

Развитие и актуальные проблемы автогенной техники. Москва:



Похожие работы:

«МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Югорский государственный университет" (ЮГУ) НИЖНЕВАРТОВСКИЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИКУМ (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Югорский гос...»

«BALTUR Технологии на службе климата Инструкции по эксплуатации горелок модель BGN 40-60-120-200-300-390 LX Перед началом эксплуатации горелки, а также перед тем, как проводить ее техническое обслуживание, внимательно прочтите инструкцию.Работы на горелках и оборудовании должны проводиться только кв...»

«ОВЧАРЕНКО Данил Джаванширович НАСЛЕДОВАНИЕ ГРАДОСТРОИТЕЛЬНЫХ ТРАДИЦИЙ В ПРОЕКТИРОВАНИИ ЖИЛОЙ СРЕДЫ ЛЕНИНГРАДА 1960-80-х гг. Специальность: 05.23.22 – Градостроительство, планировка сельских населенных пунктов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой ст...»

«69 УДК 622.92 МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНОГО УЧАСТКА ТРУБОПРОВОДА, СОСТАВЛЕННОГО ИЗ КРИВОЙ ВОГНУТОЙ ИЛИ ВЫПУКЛОЙ ВСТАВКИ КРИВОЛИНЕЙНЫМ ПОЛЫМ СТЕРЖНЕМ В УПРУГОЙ СРЕДЕ Бахтизин Р.Н., Масалимов Р.Б., Зарипов Р.М., Шварева Е.Н. ФГБОУ ВПО Уфимский государственны...»

«УДК 628.517.2 И. Н. Паращиенко (Полтавский нац. техн. ун-т им. Ю. Кондратюка) А. И. Быковский, канд. техн. наук (Ин-т машин и механизмов, г. Киев) Н. В. Шпирько, д-р техн. наук, В. В. Сафонов, канд. техн. наук,...»

«Вяльцев Георгий Бенцианович МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ С ДРОБНЫМИ ЗУБЦОВЫМИ ОБМОТКАМИ Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск – 2013 Работа выполнена в Федер...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИМУЩЕСТВУ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Учреждение образования "БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" ВИЛЬНЮССКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. ГЕДИМИНЕСА РУП "ИНСТИТУТ НЕДВИЖИМОС...»

«УДК 330.341.2-021.331 А.А. Зарнадзе. ИНСТИТУЦИОНАЛЬНАЯ ПАРАДИГМА УПРАВЛЕНИЯ Аннотация. Работа посвящается краткому изложению новой концепции управления народным хозяйством под названием "институциональная парадигма управ...»

«АЗАСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖНЕ ЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН MINISTRY OF EDUCATION AND SCIENCE OF THE REPUBLIC OF KAZAKHSTAN.И. СТБАЕВ АТЫНДАЫ АЗА ЛТТЫ ТЕХНИКАЛЫ УНИВЕ...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" ЮРГИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ УТВЕРЖДАЮ Зам....»

«Data Export for Oracle Руководство пользователя © 1999-2016 EMS Database Management Solutions, Ltd. Data Export for Oracle User's Manual © 1999-2016 EMS Database Management Solutions, Ltd. Все права защищены Настоящий докyмент представляет собой техническую документацию к Dat...»

«Приложение 5 АННОТАЦИИ ПРОГРАММ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ И УЧЕБНОЙ ПРАКТИКИ Б5. У "УЧЕБНАЯ ПРАКТИКА" для студентов направления подготовки 220400.62 "Управление в технических системах" В соответствии с учебным планом учебная практика проходит на 3 курсе...»

«42 1841 БЛОК УПРАВЛЕНИЯ КОТЛОМ БУК-А2-1 Руководство по эксплуатации СНЦИ.421417.018 РЭ СНЦИ.421417.018 РЭ С.2 Содержание Лист Введение 3 1 Описание и работа блока 3 1.1 Назначение 3 1.2 Технические характеристики 3 1.3 Состав 8 1.4 Устройство и работа 8 1.4.1 Конструкция 8 1.4.2 Органы управления, сигнализации и...»

«ВЕСЫ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПЛАТФОРМЕННЫЕ BFS Руководство по эксплуатации СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1 НАЗНАЧЕНИЕ 2 ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 4 УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ 5 ПОДГОТОВКА ВЕСОВ К РАБОТЕ 7 ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ 8 ХАРАКТЕРНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ И МЕТОДЫ...»

«ПРИЛОЖЕНИЕ МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ "БОГДАНОВИЧСКИЙ ПОЛИТЕХНИКУМ" УТВЕРЖДАЮ Директор ГБОУ СПО СО "БПТ" _ /С.М. Звягинцев/ "" _ 2013 г....»

«2 Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" Институт электронного обучения...»

«СВ-РАДИОСТАНЦИЯ ИНСТРУКЦИЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ MJ-3031M TURBO 0 strona.pdf 1 2014-04-15 12:50:52 ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Диапазон частот 26.960-27.400 МГц Выходная мощность передатчика 4Вт Чувствительность...»

«ПАСПОРТ БЛОКИ УПРАВЛЕНИЯ AQUATECH WATER TECHNOLOGY И ИНСТРУКЦИЯ АТ 500 ПО ПРИМЕНЕНИЮ Техническая библиотека по водоочистке и водоподготовке http://waterservice-dmitrov.ru 8-926-730-07-24 ИНСТРУКЦИЯ ПО МОНТАЖУ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СОДЕРЖАНИЕ Рабоче...»

«А.Н. Шашенко, А.В. Солодянкин УДК 622.25/15:539.2/15 Шашенко А.Н., д.т.н., зав. кафедрой, Солодянкин А.В., д.т.н., проф., каф. СГМ, Государственный ВУЗ "НГУ", г. Днепропетровск, Украина 85 ЛЕТ КАФЕДРЕ СТРОИТЕЛЬСТВА, ГЕОТЕХНИКИ И ГЕОМЕХАНИКИ НАЦИОНАЛЬНОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА Начало подготовк...»

«СТРЕЛЕЦ _ ИЗВЕЩАТЕЛЬ ПОЖАРНЫЙ ДЫМОВОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ РАДИОКАНАЛЬНЫЙ АМУР-Р ИП 21210-4 Руководство по эксплуатации СПНК.425231.002 РЭ, Ред. 2.3 Санкт-Петербург, 2015 Амур-Р стр. 2 из 33 СОДЕРЖАНИЕ Введение 11 Технические характеристики. 1.1 Функциональные возмож...»

«ПАСПОРТ технического изделия Руководство по эксплуатации ПИЛА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПНАЯ "DDE" Модели : CSE1814 Уважаемый Покупатель! Мы благодарим Вас за выбор техники "DDE". Прежде, чем начать использовать электрическую цепную пилу, обязательно ознакомьтесь с данн...»

«УДК 681.7.069.3 ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ МАТРИЧНЫХ ПРИЁМНИКОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ С АНТЕННО-СВЯЗАННЫМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ Владимир Владимирович Чесноков Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор те...»

«Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 12. Ч. 2 УДК 621.311.25 СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ И ДИОДЫ ШОТТКИ В.А. Алехин В данной статье рассматривается независимый источник энергии – солнечная батарея, в основе которой лежит фотоэлектрический элемент, выполняющий роль фотоэлектрического преобразователя....»

«0509395 КАТАЛОГ ОБОРУДОВАНИЯ ЗАО ХОКБА Химавтоматика РООО Закрытое Акционерное Общество Харьковское опытно-конструкторское бюро автоматики Химавтоматика Предприятие основано в 1936 году как подразделение Украинского физикотехнического института с задачами: получение тяжелой воды; обеспечение жидким кислород...»

«УДК 699.841/624.94 ДИНАМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ С ГРУНТОВЫМ МАССИВОМ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ Кичаева О.В., Раджабзадег Могсен Харьковский национальный университет строительства и архитектуры г. Харьков, Украина АНОТАЦІЯ: У статті відображено деякі аспекти дослідження динамічної взаємоді...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.