Оптимизация процесса лазерно-кислородной резки низкоуглеродистой стали

• Автор: Маликов, Александр Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 105 с. : ил.

Содержание.
Содержание
Введение.
Глава 1. Лазерная резка, анализ состояния исследований.
1.1 Лазерная резка металлов, основные виды.
1.2 Анализ состояний исследования.
Выводы к главе 1.
Глава 2. Описание экспериментальной установки и методов измерения.
2.1 Введение.
2.2 Технологические комплексы для резки на основе С02-лазера с СФР.
2.3 Сравнение СФР и УР на характеристику лазерного реза.
2.3.1Низкоуглеродистая сталь.
2.3.2 Коррозионно-стойкая сталь.
2.4 Шероховатость поверхности реза и методы ее измерения.
2.4.1 Шероховатость поверхности.
2.4.2 Методы и средства определения шероховатости поверхности.
2.4.3 Принцип работы конфокального микроскопа.
Выводы к главе 2.
Глава 3. Изучение характера зависимостей основных параметров
реза от условий эксперимента.
3. Введение.
3.1 Оптическая система лазерной резки металла.
3.2 Ширина реза в зависимости от положения фокуса и фокусного расстояния.
3.3 Шероховатости поверхности реза в зависимости от скорости резки
3.4 Область качественныхрезов в координатах Ус- АР, зависимость
ширины реза от давления кислорода.
3.5 Ширина реза при различной толщине листа.
Выводы к главе 3. -
Глава 4. Законы подобия и энергетические закономерности лазернокислородной резки толстых стальных листов.
4.1 Безразмерные параметры при лазерно-кислородной резки стали.
4.2 Энергетические закономерности лазерно-кислородной резки металлов. 85 Выводы к главе 4.
Заключение.
Список литературы.

Введение
Лазерно-кислородная резка листовых материалов из низкоуглеродистых сталей, выполняемая на автоматизированных лазерных технологических комплексах (АЛТК), широко распространена в таких областях промышленности, как машиностроение, авто- и приборостроение. Важнейшей характеристикой данного вида обработки является качество реза, которое определяется в первую очередь шероховатостью поверхности реза и отсутствием грата в нижней части реза. Несмотря на большое количество теоретических и экспериментальных исследований, до начала данной работы отсутствовала полная и взаимосвязанная картина физических процессов, определяющих качество реза. В особенности это относится к области толстых стальных листов. Существующие теоретические модели резки толстых стальных листов недостаточно развиты. Данные модели не позволяют обосновать взаимосвязь оптимальных параметров резки, законы их изменения с толщиной разрезаемого листа или > же содержат значительные упрощения и имеют оценочный характер. Экспериментальные исследования, касающиеся главным образом области тонких листов (толщиной менее 10 мм), получены в разных условиях и не содержат полную информацию об условиях экспериментов, что значительно затрудняет их обобщение.
Актуальным остается проведение детального комплексного исследования, целью которого является, в частности, поиск энергетических закономерностей качественного реза, позволяющих определить оптимальные условия резки в области больших толщин.
Цель работы: Оптимизация процесса лазерно-кислородной резки низкоуглеродистой стали по критерию минимума шероховатости, экспериментальный поиск безразмерных параметров и законов подобия, определяющих свойства лазерной резки сталей в области толщин 5-25 мм.

Задачи исследования
1. Исследование энергетического баланса и поиск закономерностей оптимального лазерно-кислородного реза по критерию минимума шероховатости поверхности и отсутствие грата.
2. Поиск законов подобия и критериальных зависимостей, определяющих качественный рез.
.3. Установление оптимальных соотношений между задаваемыми параметрами: мощностью лазерного излучения, скоростью резки и толщиной разрезаемого материала.
Научная новизна
1. Экспериментальным путем определено, что при лазерно-кислородной рез-- ке при условии минимальной шероховатости -поверхности реза энергия лазерного излучения, приходящаяся на единицу объема удаляемого материала, остается постоянной.
2. Впервые установлено, что резка с максимальным качеством характеризуется оптимальным числом Пекле, и найдена его величина.
3. Установлено, что при условии минимума шероховатости поверхности входящие в баланс лазерно-кислородной резки энергетические потоки (поглощенная мощность излучения АЖ г мощность, выделяющаяся в результате экзотермической реакции окисления железа Ж¥е, мощность, затрачиваемая на плавление металла Жт и потери в результате теплопроводности Жсопй ) отнесенные к толщине разрезаемого материала, в пределах экспериментального разброса (15%) равны и остаются постоянными.
4. На основе впервые найденных критериальных зависимостей определены соотношения, позволяющие установить значения мощности лазерного излучения и скорости резки, при которых шероховатость поверхности реза минимальна для данной толщины листа.

В таблице 2.1 дано сравнение лазера «Сибирь 1» с лазерами фирм Spectra Physics, модель 820 [47], и Toshiba Corporation [48], которых также используется самостоятельный разряд постоянного тока. По мощности излучения с единицы длины резонатора лазер «Сибирь 1» более чем втрое превосходит лазер Spectra Physics 820. Качество пучка СОг-лазера с неустойчивым телескопическим резонатором при М = 3 и N3KB ~ 0,5 как в [37], равно 0,33 [32].
Таблица 2.
Лазер Резонатор Мощность излучения, кВт Апертура зеркал, мм Длина резонатора, м Удельная мощность, кВт/м
Spectra Physics 820 устойчивый ■ ТЕМоо 1,5 19 8,05 0,
Toshiba Corporation неустойчивый М = 3 10 50 10 1,
Сибирь 1 самофильтрую-щий М = 4,5 8 49 11,2 0,71 '
Как видно из таблицы, лазер с СФР имеет несколько меньшую мощность излучения с единицы длины резонатора по сравнению с неустойчивым телескопическим резонатором, но за счет большей апертуры почти втрое превосходит по удельной мощности лазер с устойчивым одномодовым (ТЕМоо) резонатором. По качеству пучка лазера с СФР в 2-2,5 раза превосходит лазер с неустойчивым резонатором и приближается к устойчивому одномодовому (ТЕТмІоо) резонатору.
Таким образом, СФР резонатор технологичен, имеет пучок хорошего качества и высокую удельную мощность, что позволяет перспективно применять его для создания технологических лазерных систем.