Численные исследования влияния характеристик излучения и струйных течений газа на качество поверхности в технологиях газолазерной резки толстолистовых металлов

• Автор: Зайцев, Александр Васильевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 105 с. : ил.

( Содержание
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
1.2. Оценка параметров физических процессов, сопровождающих газолазерную резку листовых материалов
1.3. Анализ состояния исследований
Выводы к главе
4. 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
2.2 Численное моделирование формы поверхности образующейся под действием лазерного излучения. Безразмерное уравнение. Схема численного решения
2.3. Влияние поляризации излучения на форму и глубину реза
2.4. Влияние заглубление фокуса
^ 2.5. Многомодовое излучение
2.6 Модель многократного отражения и поглощения излучения. Влияние
переотражение на глубину и форму реза
Выводы к главе
Глава 3. Газодинамика лазерной резки металлов, математическая постановка задачи и метод решения
3.1 Математическая постановка задачи
3.2 Метод численного решения
3.3 Тестовые расчеты
Выводы к главе
, Глава 4. Численное моделирование струйных течений
вспомогательных газов
4.1 Сверхзвуковые течения при газолазерной резке с нейтральным газом
4.2 Дозвуковые течения в узком канале, подобные течениям при лазерной резке с кислородом
4.3 Анализ струйных течений и выбор оптимальной формы сопла для
кислородно-лазерной резки типа БАБОХ
Выводы к главе
Заключение
Список литературы

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 эффек-
^ тивного 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,
H.H. Рыкалина, А.Г. Григорьянца, Г.П. Черепанова, Н. К. Макашова, B.C. Голубева, A.B. 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,

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 г, в
уравнении (2.2.3), который определяет расстояние от фокальной плоскости пучка до верхней поверхности материала. Отрицательные значения 2;
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 сг = 100.
Как видно наиболее глубокий рез получается при заглублении фокуса на величину -1Ц,, что соответствует примерно половине глубины реза. При повышении или понижении точки фокусировки глубина реза уменьшается, а ширина несколько увеличивается.