Экспериментальное моделирование динамики струйных течений газа и механизмов удаления расплава при газолазерной резке металлов

• Автор: Юдин, Петр Владимирович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 130 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Анализ физических процессов, сопровождающих лазерную резку металлов, методы их экспериментального моделирования и 13 регистрации
1.1. Газолазерная резка металлов: основные технические достижения на сегодняшний день
1.2. Обзор физических процессов, сопровождающих газолазерную резку листовых материалов, оценка основных параметров
1.3. Анализ состояния исследований
1.4. Анализ существующих методов диагностики и визуализации, применимых к лазерной резке металлов
Выводы к главе
Глава 2. Экспериментальные исследования особенностей течения вспомогательного газа в каналах, геометрически подобных
лазерному резу
2.1 Постановка задачи, методика моделирования и визуализации
2.2 Исследование сверхзвуковых течений в узких каналах
применительно к резке с инертным газом
2.3. Исследование дозвуковых течений в узких каналах применительно к резке с кислородом
Выводы к главе
Глава 3. Визуализация процессов лазерной резки на модельной установке, с использованием легкоплавких материалов
3.1 Модельная установка, анализ критериев подобия
3.2 Процессы плавления, течения и разрушения пленки расплава парафина в условиях взаимодействия со струей подогретого воздуха 86 внутри плоского канала
3.3 Визуализация процессов внутри лазерного реза с использованием легкоплавкого сплава Розе
3.4 Модели образования бороздчатой шероховатости при кристаллизации расплава
Выводы к главе
Заключение
Список литературы

Введение
В данной работе исследуются сложные физические процессы, сопровождающие лазерную резку металлов. Основная часть результатов получена методами экспериментального моделирования с визуализацией явлений, протекающих внутри реза. Лазерная резка 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, возможность быстро вырезать детали практически любой геометрической сложности, делают эту технологию незаменимой при мелкосерийном производстве.
С появлением все более мощных лазеров и разработкой на их основе лазерных технологических комплексов возникает необходимость в расчетноэкспериментальных исследованиях процессов, сопровождающих лазерную резку. При лазерной резке металл плавится в пределах пятна излучения и удаляется струей вспомогательного газа сквозь образующийся разрез. Качество резки листовых материалов характеризуется шириной реза, степенью перпендикулярности боковых поверхностей к плоскости листа, их шероховатостью, наличием или отсутствием грата (затвердевших капель с тыльной стороны разреза) 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 для случая тонких листовых материалов. С увеличением толщины

разрезаемого листа до 10 мм и более, технологические режимы становятся менее устойчивыми, значительно возрастают такие дефекты качества, как бороздчатая шероховатость и грат. Есть основания предполагать, что это связано с ухудшением продуваемости лазерного реза вспомогательным газом и нарушением эффективного выноса расплава из узкого и глубокого канала. Достоверные сведения и представления о механизмах тех процессов, которые протекают внутри лазерного реза, в настоящее время отсутствуют. Методы диагностики лазерной резки в натурных условиях (на автоматизированном лазерном технологическом комплексе) не развиты из-за непрозрачности стенок реза, наличия высокой температуры и излучения.
Теоретические исследования процессов лазерной обработки, в том числе и лазерной резки материалов, восходят к работам A.A. Веденова, Г.Г. Гладуша,
H.H. Рыкалина, B.C. Голубева, А.Г. Григорьянца, Н. К. Макашова, В.Г. Низьева, J. 'Powell, W.M. Steen, A.V. La Rocca, 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 трудах которых создана общая теория взаимодействия излучения с металлами, построены аналитические модели ряда задач, 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.
Общая ситуация такова, что нет достоверных представлений о тех процессах, которые протекают непосредственно внутри узкого канала при лазерной резке. В результате, известные на сегодняшний день модели образования бороздчатой шероховатости и грата существуют только в форме гипотез и часто противоречат друг другу. В связи с этим высокую актуальность имеют модельные эксперименты, где возможна визуализация процессов, происходящих внутри канала резки.
Цель работы
Исследование физических процессов, протекающих внутри лазерного разреза на модельной установке, с применением методов визуализации.

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.
Поэтому в большинстве работ на эту тему пользуются принципом ограниченного моделирования. Выбирается один основной процесс, а влиянием остальных либо пренебрегают, либо по возможности учитывают в упрощенной постановке. При этом авторы дают себе отчет, что применение результатов подобных моделей на практике будет иметь существенные ограничения. Наиболее плодотворным является комплексный подход к исследованию лазерной резки, когда удается независимо решить отдельные подзадачи, затем состыковать их между собой и сравнить с экспериментальными данными.
К физическим процессам, наиболее обоснованно отделяемым в независимый подпроцесс, можно отнести следующие.
1) Взаимодействие лазерного излучения с металлом. Рассматривать отдельно этот подпроцесс можно, предполагая, что удаление расплава газовой струей происходит мгновенно. На поверхности локально записывается условие, связывающее интенсивность поглощенного излучения со скоростью перемещения фронта резки. В результате удается получить форму канала резки, максимальную глубину проплавления и исследовать особенности резки пучками с различными поляризациями и модовым составом.