Энергетические условия газолазерной резки толстых стальных листов

Научная библиотека Комментариев к записи Энергетические условия газолазерной резки толстых стальных листов нет

В. М. Фомин, А. Г. Маликов, А. М. Оришич, В. Б. Шулятьев // Прикладная механика и техническая физика. 2011. Т. 52, №3, с: 16-23, УДК 621.373.826

Представлены результаты экспериментального определения энергетического баланса в процессе лазерно-кислородной резки листов толщиной 5÷16 мм с помощью СО2-лазера в режиме качественного реза с минимальной степенью шероховатости поверхности. В качестве вспомогательного газа использовался кислород. Установлено, что входящие в уравнение энергетического баланса энергетические потоки мощности для листов толщиной 5, 10 и 16 мм, отнесенные к единице толщины листа, не зависят от нее и имеют близкие значения.

Введение. Несмотря на большое количество исследований лазерной резки, полного описания этого процесса еще не существует [1–4]. Прежде всего это обусловлено многообразием и сложным взаимодействием происходящих при лазерной резке физических процессов, главными из которых являются распространение излучения в канале реза, поглощение излучения, выделение энергии в результате экзотермической реакции и образование окислов металла при использовании кислорода в качестве вспомогательного газа, распространение тепла в материале и образование расплава, течение газа в канале реза, движение пленки расплава под действием потока газа.

Накоплена достаточно обширная база данных по лазерной резке, главным образом для листов толщиной менее 10 мм [1, 5, 6]. Современные технологические СО2-лазеры позволяют качественно разрезать листы толщиной до 30 мм [1]. Повышение мощности излучения как одно из основных направлений развития лазеров для резки позволяет увеличивать скорость резки и толщину разрезаемых листов [7]. Необходимое для выявления общих закономерностей корректное сопоставление данных из разных источников не всегда возможно, так как экспериментальные исследования проводятся в разных условиях или их опубликованные результаты содержат неполные наборы данных.
В работах по теоретическому моделированию процесса газолазерной резки зависимость между мощностью лазерного излучения и скоростью резки определяется на основе уравнения баланса энергии [8, 9]. Такой подход позволяет найти максимальную скорость, не обязательно являющуюся оптимальной с точки зрения качества реза [5]. Кроме того, ряд важных параметров, входящих в уравнение баланса энергии, например коэффициент поглощения излучения в канале реза и величина энергии экзотермической реакции окисления железа, зависят от условий резки и не всегда могут быть определены с требуемой точностью, особенно при резке листов толщиной 5 ÷ 25 мм. Это затрудняет надежное теоретическое определение вклада различных процессов в полный энергетический баланс лазерной резки при использовании кислорода в качестве технического газа. Важнейшей характеристикой лазерной резки металлов является ее качество. Показателями качества реза являются величина грата (застывших капель расплава на нижней кромке реза), степень шероховатости поверхности реза, ширина зоны термического влияния, прямизна стенок реза.

Количественный критерий качества реза сформулирован в работах [10, 11], в которых впервые проведена комплексная оптимизация в широком диапазоне значений параметров резки стали излучением СО2-лазера по критерию минимума шероховатости поверхности в отсутствие грата, найдены безразмерные параметры и критериальные зависимости, определяющие минимальную степень шероховатости стенок реза.

Дальнейшее развитие исследований в данном направлении позволило изучить энергетические закономерности. Важной характеристикой лазерной резки является ее энергетическая эффективность, для определения которой необходимо знать энергетический баланс лазерной резки. В зоне реза наряду с лазерной энергией выделяется энергия, возникающая в результате экзотермической реакции окисления железа. Наиболее значительные потери энергии в зоне реза обусловлены нагревом образца.

В настоящей работе экспериментально определен энергетический баланс лазерно-кислородной резки стали при значениях параметров, выбранных в соответствии с полученными в работах [10, 11] критериальными зависимостями оптимальных условий резки толстых стальных листов.
1. Постановка экспериментов. Схема и основные элементы лазерной резки листа из стали показаны на рис. 1. Лазерное излучение мощностью Wr фокусируется на лист металла. Поглощенное излучение, а также выделение энергии экзотермической реакции окисления металла (в случае резки с кислородом) приводят к разогреву металла до температуры плавления. На боковой поверхности листа образуется тонкая пленка расплава.

Под действием кислорода, который подается через газодинамическое сопло, расплав движется на фронте реза в виде тонкой пленки или разрушается газовым потоком на капли и выносится из области реза. Лазерный луч передвигается, образуя узкий рез.

В настоящей работе коэффициенты поглощения лазерного излучения для стальных листов толщиной 5, 10 и 16 мм измерялись с помощью методики, подробно описанной в [13]. Схема экспериментальной установки показана на рис. 2. Суть данной методики состоит в следующем. Прошедшее через металл излучение попадало на приемник — измеритель мощности OPHIR 5000W-CAL-SH. При этом контролировались диаметр луча и его отклонение при взаимодействии излучения с материалом в процессе реза, что обусловливало попадание на приемник всего излучения, прошедшего зону реза. Продукты горения металла сдувались струей воздуха, что исключало их попадание на приемник. На рис. 3 представлены результаты измерений коэффициента поглощения и приведены данные работы [13]. Точками показаны экспериментальные значения, линия является аппроксимацией. Видно, что значения коэффициента поглощения хорошо согласуются с данными [13] и возрастают при увеличении толщины разрезаемого материала.
2. Результаты экспериментов и их обсуждение. В табл. 3 приведены обобщенные данные об основных потоках энергии при лазерной резке с кислородом листов стали толщиной 5, 10, 16 мм. При проведении измерений использовались режимы резки, соответствующие критерию минимума шероховатости.

Полное содержание статьи: http://www.sibran.ru/upload/iblock/6e6/6e69ca61634e655cbc85b92eed1867b4.pdf

Рекомендуем для Вас

Leave a comment

You must be logged in to post a comment.


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top