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

• Автор: Ермолаев, Григорий Викторович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 125 с. : ил.

Содержание.
Содержание
Введение.

Глава 1. Анализ процессов сопровождающих кислородную
газолазерпую резку стали и проблемы их физического и математического моделирования.
1.1. Газолазерная резка металлов: основные методы и их 14 характеристики.
1.2. Кислородная газолазерная резка: анализ текущего состояния 20 исследований и перспективы дальнейшего развития.
1.3. Физико-химическая модель взаимодействия низколегированной 26 стали с кислородом в условиях газолазерной резки.
Выводы к главе
Глава 2. Развитие методов резки толстых листов стали излучением С02 лазера с использованием кислорода.
2.1 Описание экспериментальной установки
2.2 Исследование влияния состава и давления рабочей смеси, 49 состоящей из кислорода и аргона, на характеристики газолазерной резки малоуглеродистой стали.
2.3 Параметризация режимов гибридной кислородно-лазерной резки 64 толстых листов стали.
Выводы к главе
Глава 3. Моделирование образования шероховатости поверхности при кислородной газолазерной резке низколегированной стали.
3.1 Статистический анализ закономерностей образования 79 шероховатости и выноса материала при кислородной газолазерной резке.
3.2 Физико-математическая постановка задачи образования 89 шероховатости за счет циклов несамостоятельного горения, и метод ее численного решения.
3.3 Двумерная постановка задачи и результаты расчетов геометрии канала лазерного реза и линейных размеров шероховатости его стенок.
3.4 Трехмерная постановка задачи и результаты расчетов динамики 104 формирования профиля поверхности реза с учётом течения жидкой пленки металла.
Выводы к главе
Заключение и выводы
Список литературы

Введение
Наиболее распространенной лазерной технологией в машиностроительных отраслях промышленности в настоящее время является лазерная резка металлических и неметаллических материалов. Обширная номенклатура разрезаемых материалов, высокая скорость и точность обработки позволяют получать детали практически любой геометрической сложности с минимальными затратами. Наибольший объем лазерного раскроя среди металлов и сплавов приходится на низколегированные стали различного назначения, применяющиеся в строительстве, машино- и приборостроении. Использование кислорода, в качестве вспомогательного газа, позволяет существенно повысить эффективность резки этого типа материала, но также вносит в процесс дополнительные особенности и ограничения не характерные для резки с использованием нейтрального газа. Разнообразие и сложность физических процессов, имеющих место при лазерной резке с кислородом, затрудняют определение причин образования дефектов и различных ограничений для последующего их устранения. Теоретическому и экспериментальному исследованию этого типа резки посвящено большое количество оригинальных статей и монографий. Сложность физической картины явления, а также потребности производства постоянно поддерживают высокую активность исследований в этом направлении.
Совершенствование современных технологий лазерной резки, в том числе и с использованием активного рабочего газа кислорода, повышение их эффективности (скорости и качества) с переходом к раскрою все более толстых листовых материалов (толщиной до 30-50 мм и выше) приобретает в настоящее время чрезвычайную актуальность и требует углубленного изучения особенностей протекающих физико-химических процессов. При лазерной резке низколегированной стали с кислородом металл нагревается в пределах пятна излучения, вступает в экзотермическую реакцию, плавится и удаляется той же струей вспомогательного кислорода через образующийся разрез. На поверхности реза формируется шероховатость, отличающаяся от
шероховатости, образующейся при резке с нейтральным газом. Качество лазерной резки, помимо шероховатости поверхности, характеризуется степенью перпендикулярности кромок реза, наличием или отсутствием грата и зависит от большого количества физических параметров, главными из которых являются характеристики излучения, скорость резки и параметры газовой струи.
В настоящее время технологические операции лазерного раскроя хорошо отработаны в случае тонких листов. Стабильная лазерная резка листов стали толщиной более 16 мм осложнена проблемой значительного понижения качества поверхности. При низкой скорости резки ухудшение качества поверхности реза связано с неустойчивостью процесса горения металла и склонности его к переходу в неуправляемый режим с большой шириной реза и недопустимой шероховатостью. На поверхности реза появляются рытвины, бесформенные наросты, процесс переходит в так называемый автогенный режим. Процесс становится более устойчивым с повышением требований к параметрам излучения, чистоте используемого кислорода, состоянию поверхности листа и составу стали. При высокой скорости резки наблюдается нарушение выноса расплава из узкого реза, которое проявляется в зашлаковывании, наплавлении с образованием грата на нижней кромке.
Исследования осложнены еще и тем, что регистрация процессов протекающих внутри реза в натурных условиях на AJITK (автоматизированном лазерном технологическом комплексе) невозможна из-за непрозрачности стенок реза, наличия высокой температуры и отраженного излучения. Поэтому в настоящее время отсутствуют достоверные сведения и представления о механизмах взаимодействия струи кислорода с жидким металлом, его уносом и образования шероховатости непосредственно внутри лазерного реза.
Теоретические исследования процессов лазерной резки стали с кислородом восходят к работам А.Г. Григорьянца, Н.В. Карлова, H.A. Кириченко, Б.С. Лукьянчука, A.A. Веденова, Г.Г. Гладуша, Н. К. Макашова, М.Н. Либенсона., J. Powell, W.M. Steen, A. A. Kaplan, J. Duan,, K. Chen,

% ат.
Рис. 1.3.3. Зависимость скорости реакции (А) и скорости лазерной резки (Б) от количества инертной примеси во вспомогательном газе.
А- расчет по формуле (1.3.4)
Б- экспериментально полученная скорость резки [23]. Мощность С02 лазера 400 Вт, черная сталь толщиной 2мм, давление кислорода 2,5 ати.
кислородосодержащего газа, для описания полученных результатов предложена выше изложенная модель расчета скорости химической реакции. Полученные экспериментальные результаты согласуются с выше представленной моделью, как по описанию влияния исходных примесей, так и по влиянию содержания примесей в металле и скорости обдувающей струи на скорость горения.
Влияние количества нейтральной примеси на скорость кислородной газолазерной резки экспериментально исследовали в работах [21,47,48].