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

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, машинои 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, А ЛТК (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, ч К. Chen,.

Y.L. Yao, W. O’Neill, J.T. Gabzdyl, S.L. Chen, D. Petring, I. Miamoto и многих других, в которых создана качественная теория образования шероховатости поверхности за счет протекания интенсивной химической реакции на фронте реза, теория взаимодействия излучения с металлами и их оксидами, проведен аналитический и численный анализ устойчивости движения пленки расплава и течения и диффузии вспомогательного кислорода, накоплен большой объем экспериментальных данных.

Подходы, развитые в большинстве работ, основаны на интегральных законах сохранения, которые справедливы для лазерной резки тонких листов. Математические модели различных физических процессов, как правило, слабо согласованы. Экзотермическая реакция зачастую описывается исходя из общих соображений, не учитывающих уникальных особенностей, присущих высокотемпературному окислению железа в кислороде. В этих условиях повышаются требования к качеству математического моделирования, и возрастает роль физического эксперимента.

Цели работы.

1. Изучить особенности протекания химических реакций, определяющих эффективность и качество лазерной резки низколегированной стали с кислородом.

2. Провести анализ эффективности использования при лазерной резке газовых смесей на основе кислорода с примесью нейтрального газа или воздуха.

3. Разработать методы аналитического расчета геометрии сверхзвуковых сопел для гибридной кислородно-лазерной резки толстолистовой стали на автоматизированном лазерном технологическом комплексе (AJITK).

4. Разработать физико-математическую модель образования бороздчатой шероховатости за счет циклов лазерно-индуцированного горения железа в потоке кислорода.

Научная новизна.

Новыми научными результатами диссертационной работы являются:

1. Разработана гетерогенная модель физико-химических процессов реакционного взаимодействия железа с потоком кислорода на фронте реза при лазерной резке низколегированной стали.

2. Обнаружены газодинамические псевдоскачки, препятствующие процессу удаления расплава при гибридной кислородно-лазерной резке и предложены способы их устранения.

3. Разработана аналитическая методика расчета геометрии конфузорно-диффузорных сопел для резки толстолистовой стали гибридным кислородно-лазерным методом, позволяющая по заданной толщине листа и ширине реза определить диапазон рабочего давления кислорода, критический и выходной диаметры сопла.

4. Разработана модель образования шероховатости поверхности реза за счет циклов несамостоятельного горения при кислородной газолазерной резке низколегированной стали. В результате численного моделирования впервые рассчитана трехмерная форма шероховатости и исследована её динамика в зависимости от скорости резки, чистоты кислорода и толщины стекающей пленки образующегося оксида железа.

Практическая значимость.

Предложена методика расчета геометрии газового сопла и рабочих параметров для резки стальных листов гибридным кислородно-лазерным способом. Методика позволяет по заданной толщине материала осуществить выбор диапазона рабочих давлений кислорода в форкамере, скорости резки и параметров геометрии сверхзвукового конфузорно-диффузорного сопла.

Получены образцы резки стальных листов с хорошим качеством (Яг<25 мкм) толщиной от 16 до 30 мм, скоростью 0.25−0.45 м/мин с использованием ССЪ лазера мощностью 1.0 кВт и расходом кислорода, близким по величине к традиционной кислородной газолазерной резке низкоуглеродистой стали.

Достоверность результатов.

Достоверность полученных результатов и выводов обоснована сравнением с экспериментальными и расчетными результатами других авторов.

Методика расчета параметров гибридной резки подтверждена результатами натурных экспериментов.

Результаты численного моделирования образования, формы и динамики шероховатости согласуются с экспериментальными данными, а также данными скоростной киносъемки натурных экспериментов других авторов.

На защиту выносятся физические модели, математические постановки задач, а также результаты их аналитических и численных решений. К числу главных защищаемых результатов следует отнести:

— модель протекания экзотермической реакции при кислородной газолазерной резке, включающая: температурное начало интенсивной реакции, ее скорость и возможные режимы распространения;

— описание газодинамических эффектов, связанных с системой скачков на входе и выходе из канала реза, препятствующих резке гибридным методом, и пути их устранения;

— аналитическая методика расчета геометрии сверхзвукового сопла и диапазона рабочего давления кислорода для резки листов заданной толщины гибридным способом;

— постановка задачи о формировании шероховатости поверхности за счет циклов лазерноиндуцированного горения;

— результаты численного моделирования образования шероховатости в зависимости от параметров процесса, их анализ, а также сформулированные выводы и практические рекомендации.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах академика В. М. Фомина в Институте теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, а также на различных российских и международных конференциях:

— XI Всероссийская научная Конференция студентов-физиков и молодых ученых, Екатеринбург 2005;

— XLI и XLIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» Новосибирск, 2003 и 2005 г.

— XII, XIII, XIV Международной конференции по методам аэрофизических исследований (ICMAR), Новосибирск, 2004,2007 и 2008 год;

— Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов -2005», Москва, 2005;

— IV и VI международная конференции «Лучевые технологии и применение лазеров» г. Санкт-Петербург 2004 и 2009 год.

— Всероссийская конференция «Проблемы механики сплошных сред и физики взрыва» Новосибирск, 2007 г.

— Всероссийская молодёжная конференция «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» Новосибирск 2008 г.

— 27th International Congress on Applications of Lasers & Electro-optics., 2008, Temecula, CA, USA.

— Ill Всероссийская конференция «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалам в перспективных технологиях и медицине». Новосибирск 2009 г.

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 5 статьях в рецензируемых журналах и 17 материалах всероссийских и международных конференций.

Личный вклад автора.

При выполнении работ по теме диссертации диссертант принимал активное участие в постановке задач, подготовке и проведении экспериментов, обработке и анализе экспериментальных данных, обсуждении результатов, подготовке печатных работ и докладов на конференциях. Основные результаты диссертации получены при непосредственном участии автора. Им реализованы численный алгоритм расчета формы шероховатости реза и произведены постановка и обработка данных всех приведенных в работе экспериментов. Результаты совместных работ представлены в диссертации с согласия соавторов.

Краткое содержание работы по главам Первая глава содержит описание существующих методов лазерной резки металлов их ограничения и проблемы, возникающие как при практической реализации на АЛТК, так и при физико-математическом моделировании сопровождающих их процессов.

В первом и втором параграфах первой главы содержится описание различных видов лазерной резки, основные технологические достижения, полученные на сегодняшний день, обсуждаются проблемы, которые возникают при переходе к резке толстых листов металла.

В третьем параграфе первой главы, на основе анализа литературных данных формулируется физико-химическая модель протекания реакции железа с кислородом при кислородной газолазерной резке низколегированной стали. Определяется температурная граница существования интенсивной реакции, соответствующая температуре плавления оксида. Находится лимитирующая фаза реакции, оценивается ее тепловой эффект, сравнимый с действием лазерного излучения. Качественно рассматриваются возможные режимы теплового распространения фронта реакции и связанные с ними закономерности кислородной резки. Параллельно проводится разбор и сравнение предположений использованных в известных из литературы моделях.

Во второй главе приводится ряд моделей физических процессов, на основе которых делаются предположения о возможностях повышения эффективности лазерной резки. Осуществляется экспериментальная проверка выдвинутых предположений.

Первый параграф второй главы полностью посвящен описанию устройства и базовых характеристик АЛТК «Сибирь-1», на котором осуществлялись все приведенные в работе эксперименты. Оптинеские характеристики используемого излучения удовлетворяют самым высоким требованиям в широком диапазоне выходной мощности, что позволяет производить отработку разнообразных технологий металлообработки на высоком уровне.

Во втором параграфе второй главы приводится аналитическая оценка и экспериментальная проверка условий, в которых использование воздуха в качестве вспомогательного газа энергетически эквивалентно использованию технически чистого кислорода в отработанных условиях резки. Экспериментальная проверка показала, что резка смесью кислорода со значительным содержанием нейтрального газа с эффективностью близкой к резке с технически чистым кислородом возможна для тонких листов. По оценке, для эффективной резки с воздухом требуется запредельно высокое давление. При долях нейтрального газа 10% и более процесс приобретает недостатки как резки с кислородом, так и резки с нейтральным газом, поскольку плохо выносится материал, образуется грат, наплавляется и зашлаковывается нижняя кромка, и наблюдается разрушение реза аналогичное автогенному режиму резки. С изменением состава смеси наблюдается плавный переход от резки с чистым кислородом, с положением фокуса на верхней поверхности листа, к резке с инертным газом, положение фокуса ниже половины толщины листа.

В третьем параграфе второй главы рассматриваются газодинамические основы технологии гибридной кислородно-лазерной резки толстых листов.

Определены газодинамические эффекты, сопутствующие распространению струи в широком канале. Сформулированы условия, при которых течение в канале не имеет особенностей, препятствующих процессу резки. Предложена аналитическая методика расчета геометрии и размеров конфузорно-диффузорных сопел для резки толстолистовой стали гибридным кислородно-лазерным методом, позволяющая по заданной толщине листа и выходному диаметру сопла определить диапазон давления кислорода, критический диаметр конфузорно-диффузорного сопла. С целью проверки методики расчета была изготовлена серия сопел различного. размера и проведено экспериментальное исследование по резке с их помощью листов различной толщины. Получены расчетные зависимости, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными, как с известными из литературы, так и полученными автором на АЛТК ИТПМ СО РАН. Предложен метод оценки скорости резки через коэффициент эффективности использования режущего кислорода, найденный эмпирически. Сравнение характеристик традиционной кислородной газолазерной резки и гибридной кислородной резки с поддержкой лазерным лучом показало, что эти методы взаимно дополняют друг друга. Диапазоны рабочих параметров не совпадают ни по толщине разрезаемых листов, ни по давлению кислорода, ни по мощности лазерного излучения. Повышена эффективность гибридного метода. За счет геометрии сопла снижен расход кислорода, для листов толщиной 16−30 мм, до уровня сравнимого с традиционной кислородной газолазерной резкой.

Третья глава посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию закономерностей образования шероховатости поверхности лазерного реза, и выноса материала при традиционной газолазерной резке с кислородом.

В первом параграфе третьей главы приводятся результаты экспериментального исследования влияния различных параметров на пространственный период образующейся шероховатости и размеры частиц материала, удаленного из зоны реза. Наблюдается явление пороговой скорости резки, при превышении которой пространственный период шероховатости и диаметр удаляемых частиц существенно уменьшаются. Период шероховатости и диаметр частиц близки. Показано, что значение пороговой скорости, прежде всего, зависит от давления кислорода. Наблюдаемые тенденции плохо описываются в рамках существующих моделей образования шероховатости.

Во втором параграфе третьей главы, на основе физических механизмов сформулированных в главе 1, строится математическая модель образования шероховатости поверхности реза за счет циклов несамостоятельного горения железа в кислороде. Распространение экзотермической реакции прекращается из-за падения температуры на фронте, и повторно инициируется движущимся лазерным лучом. Математическое описание основано на решении уравнений нестационарного теплои массопереноса в газе, жидкой пленке и в твердом металле. Численное решение осуществлялось с помощью метода фиктивных областей и численного алгоритма решения двухфазных задач Стефана с использованием методики сглаживания скачка энтальпии и коэффициентов переноса в уравнении теплопроводности в точке плавления. Указанные методы позволяют производить расчеты сквозным образом, т. е. без явного выделения подвижных границ. Для реализации алгоритма выбрана явная интегро-интерполяционная разностная схема.

В третьем параграфе главы излагаются результаты численного решения задачи в двумерной постановке. Получены основные экспериментально наблюдаемые закономерности образования шероховатости: образование шероховатости за счет циклов горения, прекращающееся при превышении пороговой скорости процесса, переход в автогенный режим. Вместе с тем двумерная постановка задачи имеет ряд серьезных недостатков. Непонятны механизмы формирования шероховатости по толщине листа. Невозможен учет изменения толщины и скорости течения жидкой пленки, вследствие чего, поверхность оксида разогревается до не реально высокой температуры. Диаметр излучения, при котором процесс горения переходит в самоподдерживающийся автогенный режим, существенно занижен.

В четвертом параграфе главы приведены результаты численного решения задачи в трехмерной постановке, как в предположении о неподвижной тонкой пленке оксида, так и с учетом сопутствующего течению жидкой пленки по фронту реза конвективного переноса тепла. Температура поверхности реза не превышает 2600 К, что близко к реальной температуре в зоне реза. Стадии динамики формирования профиля поверхности реза, полученные в расчете, хорошо согласуются с экспериментально зафиксированной другими исследователями аналогичной динамикой и формой поверхности в натурных условиях. Вертикальный размер области, где происходит интенсивная реакция, определяется скоростью теплопереноса в направлении действия луча и наклоном фронта реза. Без учета конвективного теплопереноса стекающей жидкой пленкой вертикальный размер области составляет порядка 300 мкм, при учете конвективного теплопереноса размер области увеличивается. Вполне возможно, что при резке толстых листов одновременно существуют несколько реагирующих областей, формирующих одновременно несколько полос шероховатости.

Результаты физико-математического и численного моделирования указывают на то, что поверхность реза формируется границами областей распространения интенсивной химической реакции. В случае образования периодической шероховатости имеет место циклическое несамостоятельное горение, прекращающееся при падении температуры поверхности реакции.

В заключении в диссертации приводятся основные результаты и выводы.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю Ковалеву О. Б., а также Оришичу A.M., за поддержку в выполнении работы, помощь при постановке задач и обсуждении полученных результатов. А также благодарит Шулятьева В. Б., Афонина Ю. В., Зайцева A.B., Маликова А. Г. и Юдина П. В. за совместно выполненные работы, полезные дискуссии и советы.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, состоят в следующем:

1. Предложена гетерогенная модель физико-химического взаимодействия железа с кислородом при газолазерной резке низколегированной стали. На ее основе определены физические механизмы образования шероховатости и других дефектов поверхности реза.

2. При добавлении в кислород нейтральной примеси не удается повысить эффективность газолазерной резки низколегированной стали. Однако показано, что для тонких стальных листов эффективность резки газовой смесью может быть сравнима с эффективностью резки с технически чистым кислородом. Теоретически показано, что при использовании воздуха в качестве активной газовой смеси требуется высокое его давление в форкамере сопла. При существенных долях в смеси нейтрального газа процесс приобретает недостатки как резки с кислородом, так и резки с нейтральным газом, плохо выносится материал и появляются дефекты поверхности, по характеру близкие к дефектам автогенного режима.

3. Предложена методика аналитического расчета параметров сверхзвукового сопла для резки толстолистовой стали гибридным кислородно-лазерным способом, позволяющая по заданной толщине листа и выходному диаметру сопла определить диапазон давления кислорода, критический диаметр конфузорно-диффузорного сопла.

4. Предложена трехмерная физико-математическая модель образования бороздчатой шероховатости при кислородной газолазерной резке металла. Численно получена динамика формирования профиля поверхности и линейные размеры шероховатости в зависимости от задаваемых параметров процесса.

Заключение

.