Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разное
` на правах рукописи
ШУЛЯТЬЕВ Виктор Борисович
РЕЗКА ТОЛСТЫХ СТАЛЬНЫХ ЛИСТОВ ИЗЛУЧЕНИЕМ СО2-ЛАЗЕРА
01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы
Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук
Новосибирск - 2011
Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук
Научный консультант: д.ф.-м.н., профессор Оришич Анатолий Митрофанович
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Князев Борис Александрович доктор физико-математических наук, профессор Осипов Владимир Васильевич доктор физико-математических наук Соловьёв Николай Германович
Ведущая организация:
Институт проблем лазерных и информационных технологий Российской академии наук
Защита состоится 17 июня 2011 г. в л___ часов на заседании диссертационного совета Д 003.035.02 в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 630090, Новосибирск-90, ул. Институтская, 4/1.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просьба направлять на имя учёного секретаря диссертационного совета Д 003.035.02.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теоретической и прикладной механики СО РАН.
Автореферат разослан л_____________2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н. Засыпкин И.М.
Актуальность темы Лазерная резка металлов успешно применяется в различных отраслях промышленности и продолжает развиваться. Лазерный рез образуется при локальном плавлении материала движущимся сфокусированным лучом и выдувании расплава струей вспомогательного газа. Основными направлениями развития лазерной резки являются повышение её эффективности (скорости резки, толщины разрезаемых листов) и достижение высоких показателей качества реза - низкой шероховатости поверхности реза, прямых стенок реза, малой зоны термического влияния. Полная и взаимосвязанная физическая картина образования лазерного реза к настоящему времени не построена [1, 2, 6]. Не разработаны надёжные методы прогнозирования результатов резки, оптимального выбора исходных параметров (мощности излучения, скорости резки) при различной толщине разрезаемых листов. Связано это, прежде всего, с многообразием и сложным взаимодействием протекающих при лазерной резке физических процессов. Главными из них являются: распространение и поглощение излучения в канале реза, распространение тепла в материале и образование расплава, течение газа в канале реза, выделение энергии в результате экзотермической реакции и образование окислов металла при использовании кислорода в качестве вспомогательного газа, движение пленки расплава под действием потока газа.
Наиболее распространенна лазерно-кислородная резка - резка низкоуглеродистой или низколегированной стали с кислородом в качестве вспомогательного газа. Шероховатость поверхности реза (характерная высота неоднородностей) наиболее часто принимается на практике как индикатор качества реза.
Одна из существенных особенностей лазерной резки толстых листов (толщиной более 10 мм) состоит в том, что форма поверхности реза и скорость резки в значительной степени определяются процессами удаления расплава из канала реза. Физика таких процессов сложна и ещё не понята окончательно [1]. Теоретические методы описания формирования поверхности реза с учётом всех значимых факторов недостаточно развиты и не могут быть надёжной основой для практической оптимизации. На практике выбор оптимальных параметров резки производится эмпирически.
Таким образом, актуальной задачей является экспериментальный поиск закономерностей получения качественного реза толстых стальных листов, определение предельных возможностей лазерной резки. Соответствующие экспериментальные исследования должны иметь комплексный характер, проводиться по единой методике, в широком диапазоне параметров и на одном лазерном технологическом оборудовании.
Принципиально важным для выявления физических закономерностей лазерной резки является высокое качество (способностью фокусироваться в компактное пятно малых размеров) лазерного излучения и его стабильность в широком диапазоне мощности. Самым распространённым типом лазера для резки является в настоящее время СО2-лазер. Проблема заключается в том, что для двухзеркального устойчивого лазерного резонатора (а такие резонаторы применялись и продолжают применяться в большинстве промышленных технологических СО2-лазеров), требования высокой мощности и высокого качества пучка являются противоречивыми. Для генерации излучения с высоким качеством и расходимостью излучения, близкой к дифракционному пределу, число Френеля N резонатора не должно превышать величины, приблизительно равной единице, N = a2/L, здесь a и L, соответственно, радиус апертуры зеркал и длина резонатора, - длина волны излучения [3]. При заданной длине резонатора это условие ограничивает объём активной среды, следовательно, и мощность излучения. В настоящей работе исследуется возможность создания мощного технологического СО2-лазера с высоким качеством излучения на основе самофильтрующего неустойчивого резонатора (СФР) [4].
Повышение мощности технологических лазеров при сохранении высокого качества пучка стало основным направлением их совершенствования с начала практического использования. Более мощный лазер с высоким качеством пучка позволяет повысить максимальную толщину разрезаемых листов и скорость резки. Таким образом, разработка методов генерации пучков с высоким качеством в мощных технологических СО2-лазерах, активная среда которых характеризуется большим числом Френеля, имеет самостоятельную актуальность.
Цели работы 1. Поиск закономерностей получения качественного реза и соотношений подобия для лазерно-кислородной резки стали при больших толщинах разрезаемых листов.
2. Разработка научных основ создания оптического резонатора для технологического СО2-лазера с высоким качеством излучения в широком диапазоне мощности.
При выполнении работы решались следующие задачи.
1. Поиск оптимальной конфигурации неустойчивого резонатора. Численное и экспериментальное обоснование возможности эффективного использования СФР в мощном непрерывном СО2-лазере, определение оптимальной области рабочих параметров СФР.
2. Разработка научных основ проектирования и конструктивных схем СФР для технологических СО2-лазеров с поперечным потоком. Создание лазеров с СФР и исследование их характеристик.
3. Исследование возможности качественной резки металлических материалов при помощи СО2-лазера с СФР без пространственной фильтрации излучения.
4. Экспериментальное исследование зависимости шероховатости поверхности от параметров процесса при лазерно-кислородной резке листов низкоуглеродистой стали в широком диапазоне толщин (5Е25 мм).
5. Поиск эмпирических закономерностей лазерно-кислородной резки стали и условий получения минимальной шероховатости реза в виде соотношений между обобщёнными безразмерными переменными.
6. Практическая реализация полученных в работе результатов при создании лазерных технологических комплексов для резки.
Научная новизна 1. Разработаны научные основы оптимизации процесса лазерной резки листов низкоуглеродистой стали толщиной 5Е50 мм при использовании СО2-лазера.
2. На основе детального экспериментального исследования установлено, что при лазерно-кислородной резке толстых (5Е25 мм) листов низкоуглеродистой стали имеется минимум зависимости шероховатости поверхности реза от параметров резки. В пространстве обобщенных безразмерных переменных минимум достигается при числе Пекле, равном 0,5Е0,6.
3. Найдены энергетические условия образования качественного реза и соотношения подобия для лазерно-кислородной резки низкоуглеродистой стали при больших толщинах листов. Установлено, что существуют оптимальные значения лазерной энергии, вкладываемой в единицу объёма удаляемого материала, и мощности излучения, приходящейся на единицу толщины листа, при которых шероховатость поверхности реза минимальна.
4. Предложен и обоснован критерий определения максимальной толщины листа, при которой ещё может быть получено высокое качество реза при лазерно-кислородной резке стали. Предложены простые практические соотношения для расчёта оптимальных параметров резки по критерию минимума шероховатости.
5. Экспериментально реализована качественная резка низкоуглеродистой стали в сверхзвуковой струе кислорода с поддержкой лазерным излучением с применением СО2-лазера с СФР. Для пластин толщиной от 20 до 50 мм определены оптимальные параметры резки.
6. Предложен и обоснован метод повышения яркости выходного пучка технологического СО2-лазера, основанный на использовании самофильтрующего оптического резонатора. Впервые СФР применен в технологическом СО2-лазере.
7. Впервые создан технологический СО2-лазер с качеством пучка на уровне основной гауссовой моды устойчивого резонатора при мощности излучения 8 кВт, число Френеля резонатора равно 6,4. Разработаны научные основы проектирования СО2-лазеров с СФР.
8. Экспериментально обоснована возможность использования СО2-лазера с оптическим резонатором из полностью отражающих зеркал для высококачественной резки металлов без пространственной фильтрации излучения.
На защиту выносятся 1. Результаты экспериментальных и численных исследований СФР в условиях непрерывного электроразрядного СО2-лазера, включая условия эффективного применения СФР и характеристики лазеров с СФР.
2. Создание технологических СО2-лазеров с СФР. Разработанные рекомендации по инженерному проектированию и схемы СФР для технологических СО2-лазеров с поперечным потоком.
3. Результаты экспериментальных исследований резки листовых металлических материалов с использованием СО2-лазеров с СФР. Найденные характеристики резов при резке с нейтральным газом, лазерно-кислородной резке и кислородной резке, поддерживаемой лазерным излучением.
4. Результаты оптимизации и условия получения качественного реза при лазерно-кислородной резке толстых листов низкоуглеродистой стали. Найденные экспериментально соотношения подобия и законы масштабирования.
5. Применение лазеров с СФР, результатов исследования характеристик резов и оптимизации процесса в действующих технологических комплексах для резки листовых металлических материалов.
Практическая ценность работы Результаты диссертационной работы использованы при создании в ИТПМ СО РАН автоматизированных лазерных технологических комплексов для резки листовых материалов.
Результаты позволяют создавать мощные СО2-лазеры с высоким качеством излучения на основе простых по конструкции резонаторов из полностью отражающих зеркал. В ИТПМ СО РАН созданы технологические лазеры с СФР мощностью от 1,5 кВт до 8 кВт. Найденные в работе законы получения качественного реза и результаты оптимизации лазерно-кислородной резки стальных листов применяются при разработке промышленных технологий резки.
азерный технологический комплекс на основе лазера мощностью 1,5 кВт для резки электротехнической стали установлен в НПО ЭЛСИБ в 2001 году. В 2002 году в ОАО Новосибирский завод химконцентратов установлен комплекс мощностью 5 кВт для вырезки деталей из коррозионностойких, углеродистых и низколегированных сталей, диэлектриков, композиционных материалов. Комплекс на основе лазера мощностью до 8 кВт создан для ОКБ лазерной техники при СО РАН. На комплексе ведутся исследования и разработки по лазерной технологии, в частности, произведена резка титановых пластин толщиной 30 мм. На предприятии Элсиб-Лазер СО2-лазеры мощностью 5 кВт с СФР входят в состав двух комплексов, использующихся для резки широкого круга металлических и неметаллических материалов. На основе лазеров с СФР мощностью 6 кВт в ИТПМ СО РАН создан лазернотехнологический участок.
Результаты применены также при создании импульсно-периодического СО2-лазера с модуляцией добротности резонатора. Лазер используется для создания оптического разряда в сверхзвуковом потоке газа в экспериментах по радиационной газодинамике и в технологических разработках.
Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих Международных и Всероссийских научных конференциях:
27th International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics ICALEO, Temecula, CA, USA, 2008; 28th International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics ICALEO, Orlando, FL, USA, 2009; 29th International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics ICALEO, Anaheim, CA, USA, 2010;
XIII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers GCL/HPL, Florence, Italy, 2000; XV International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers GCL/HPL, Prague, Czech republic, 2004;
XVI International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers GCL/HPL, Gmunden, Austria, 2006; XVII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers GCL/HPL, Lisbon, Portugal, 2008;
International Conference on Lasers, Applications, and Technologies LAT, St. Petersburg, 2005; International Conference on Lasers, Applications, and Technologies LAT, Kazan, 2010; V International Conference УLaser Technologies and LasersФ LTL, Smolyan, Bulgaria, 2006; VI International Conference УLaser Technologies and LasersФ LTL, Smolyan, Bulgaria, 2009; VII Международная конференция Лазерные и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и приложения, Владимир-Суздаль, 2001); III Всесоюзная конференция УПрименение лазеров в народном хозяйствеФ, Шатура, 1989; Russia National Conference:
Industrial Lasers and Laser Material Processing, Shatura, 1993; International Conference on the Methods of Aerophysical Research ICMAR, Novosibirsk, 2007; International Conference on the Methods of Aerophysical Research ICMAR, Novosibirsk, 2008; 5 Международная конференции УЛазерные технологии и средства их реализацииФ, С.-Петербург, 2005; III Всероссийская конференция УВзаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицинеФ, Новосибирск, 2009; XI Internationsl Conference УLaser Optics: High Power Gas LasersФ, St. Petersburg, 2003.
Публикации Перечень публикаций по теме диссертации дан в конце автореферата. Из них 16 (номера 1 - 16) опубликованы в рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в Перечень ВАК для опубликования результатов кандидатских и докторских диссертаций от 27.09.2010.
Достоверность результатов Достоверность результатов работы обоснована:
- сочетанием расчётных и экспериментальных методов исследования, сравнением результатов измерений с результатами численных расчётов;
- использованием надёжных, апробированных методов измерений, дублированием измерений с применением различных методик;
- непротиворечивостью полученных результатов и их согласием с результатами других авторов в сопоставимых частных случаях;
- успешным использованием в практике лазерной резки технических решений и рекомендаций, разработанных на основе полученных в работе научных результатов.
ичный вклад автора Личный вклад автора в получение представленных в работе результатов является определяющим. Автором предложен реализованный в работе метод повышения качества излучения технологического лазера. Принципиальные технические решения и конструктивные схемы СФР для СО2-лазеров с поперечным потоком разработаны автором или под его научным руководством. Все экспериментальные результаты получены автором лично или при его непосредственном участии и под его руководством. Результаты численных исследований получены автором лично, под его руководством или по его заданию. Автором проводился анализ и обобщение результатов расчётов и экспериментов, делались выводы на всех этапах работы. Включение в диссертацию результатов, полученных в совместных работах, обсуждено и согласовано с соавторами.
Автор принимал активное участие в создании и промышленном освоении лазерных технологических комплексов для резки листовых материалов.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами по главам, заключения и 2 приложений. Объем работы составляет 3страницу, в том числе 141 рисунок и 18 таблиц. Список литературы включает 260 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении дана общая характеристика работы. Обоснована актуальность работы, сформулированы её цели, новизна и практическая значимость полученных результатов, дан перечень публикаций в реферируемых журналах по теме диссертации.
В Главе 1 дано общее описание лазерных технологий обработки материалов и технологических лазеров. Отмечены особенности различных технологий, проведено их сравнение по параметрам линтенсивность лазерного излучения - время воздействия. Перечислены разновидности технологических СО2-лазеров, их компоновочных схем, методов возбуждения и охлаждения активной среды.
Отмечена решающая роль оптического резонатора в формировании пространственных характеристик излучения, сформулированы требования к резонатору мощного технологического лазера. Проанализированы проблемы, возникающие при создании мощных технологических СО2-лазеров с высоким качеством излучения и дан обзор известных способов их решения. В широкоапертурных устойчивых резонаторах возбуждаются поперечные моды высших порядков, пучок имеет низкое качество. В настоящей работе качество пучка характеризуется безразмерным параметром качества, K = 4/D, здесь , D - расходимость пучка в дальней зоне и диаметр в ближней зоне, - длина волны излучения. В неустойчивом резонаторе из полностью отражающих зеркал выходной пучок имеет в поперечном сечении форму кольца. В дальней зоне значительная доля энергии содержится в периферийной части пучка, вне центрального максимума, это делает пучок непригодным для качественной резки металлов.
Для генерации излучения с высоким качеством в технологических СО2-лазерах мощностью 5 кВт и более исследовались различные схемы лазерных резонаторов с большим числом Френеля. В большинстве известных решений повышение качества излучения достигалось путём исключения характерной для неустойчивого резонатора кольцевой структура пучка. При этом резонатор приобретал новые особенности. Например, в промышленных лазерах с неустойчиво-волноводным резонатором фирмы Rofin-Sinar [16] пучок имеет прямоугольное сечение и разное распределение интенсивности по двум поперечным координатам. Это делает необходимым внешнее преобразование пучка (включая пространственную фильтрацию) перед его использованием. В настоящей работе предпринят другой подход: исследуется возможность уменьшения величины побочных максимумов в дальней зоне до приемлемой величины при кольцевом выходным пучке. В этом случае сохраняются преимущества неустойчивого резонатора - аксиально-симметричный выходной пучок, простота схемы, использование обычных металлических зеркал, что облегчает создание надёжной, стабильной конструкции и является преимуществом в случае мощного лазера.
Такой подход требует решения двух основных задач. Первая заключается в поиске оптимальной конфигурации резонатора и исследовании характеристик излучения лазера. Вторая задача состоит в исследовании возможности использовании такого лазера для качественной резки металлов без дополнительной пространственной фильтрации излучения. Решение этой задачи осложняется тем, что отсутствуют количественные методы оценки влияния пространственной структуры пучка на качество реза.
В этой главе также дано описание разработанных в ИТПМ СО РАН технологических лазеров с поперечным потоком ЛОК, Сибирь. Приведены характеристики лазера ЛОК-3 с неустойчивым телескопическим резонатором. Отмечено, что низкое качество пучка лазера с неустойчивым резонатором не позволяет использовать его для высококачественной резки металлических материалов.
В качестве объекта исследования автором был выбран самофильтрующий резонатор (СФР) [4]. СФР применялся ранее в лазерах с импульсной накачкой и рассматривался специалистами как резонатор для лазеров с высоким коэффициентом усиления [3, 5]. В лазерах непрерывного действия, в том числе в СО2-лазерах, которые можно отнести к лазерам с умеренным усилением, СФР не использовался.
В Главе 2 представлены результаты численного исследования самофильтрующего резонатора. Цель расчётов - определить возможность эффективного использования СФР в мощном технологическом СО2-лазере. Описаны особенности схемы СФР и применявшиеся методы расчёта.
СФР (рис. 1) представляет собой конфокальный резонатор из двух вогнутых софокусных сферических зеркал, в общей фокальной плоскости которых расположено кольцевое выводное зеркало с отверстием связи радиусом = 0,61. Выводное зеркало и зеркало 2 с меньшим фокусным расстояни ем образуют пространственный фильтр, который формирует гладкое, колоколообразное распределение интенсивности в поперечном сечении пучка. Активная среда расположена между выводным зеркалом 3 и сферическим зеркалом 1.
Рис. 1. Принципиальная схема самофильтрующего неустойчивого резонатора.
1,2 - вогнутые сферические зеркала, 3 - фильтрующая диафрагма. Линиями со стрелками показан ход лучей.
Расчет распределения интенсивности в пучке СФР проводился на основе дифракционного интеграла Френеля-Кирхгофа. Дифракционный интеграл, записанный через элементы лучевой матрицы для случая осевой симметрии, выглядит следующим образом:
( ) ( ) ( ) = exp ( ) здесь u1(r1), u2(r2) - радиальные распределения комплексной амплитуды поля в опорных плоскостях 1 и 2, L - расстояние между опорными плоскостями, a1 - радиус апертуры источника в плоскости 1, J0 - функция Бесселя первого рода нулевого порядка, k = 2/, A, B, D - элементы лучевой матрицы промежутка 12. Расчеты проводились двумя методами - итерационным методом Фокса и Ли, а также по методу [7], при котором интегральное уравнение резонатора сводится к системе линейных алгебраических уравнений.
Расчеты выполнялись для низшей моды пустого резонатора с круглыми сферическими зеркалами. Вследствие дифракции на отверстии связи распределение в дальней зоне представляет собой характерную структуру с центральным пятном и боковыми кольцами. Качество пучка возрастает с ростом увеличения M резонатора, M = f1/f2, поскольку уменьшается интенсивность побочных максимумов и доля мощности за пределами центрального пятна.
На рис. 2 показана доля мощности E0/Etot в центральном пятне в дальней зоне и относительная интенсивность Im/I0 первого побочного максимума в зависимости от увеличения М резонатора. При М = 4 в центральном пятне содержится 92% всей мощности пучка, а Im имеет величину менее 0,0047 от осевой интенсивности. Для сравнения отметим, что источнику с круглой апертурой и однородным распределением амплитуды и фазы соответствуют E0/Etot и Im/Iравные 84% и 0, 0175. На рис. 3 показаны зависимости параметра качества пучка K, относительного модового объема V и величины обратной связи R' от коэффициента увеличения резонатора. При М > 4 выходной пучок СФР приближается по качеству к гауссову, параметр К имеет величину приблизительно 0,9 и более. При этом модовый объем СФР более чем в 2,5 раза превышает объем ТЕМ00 моды УР такой же длины.
На рис. 4 показаны рассчитанные распределения интенсивности излучения в выходном пучке (в плоскости выводного зеркала) и в дальней зоне при М = 4,5. Периферийная часть пучка в дальней зоне увеличена, чтобы лучше показать детали пространственной структуры. Расчётным путём также определены оптимальные поперечные размеры зеркал по отношению к размерам пятен на зеркалах.
Зависимость эффективности преобразования энергии в резонаторе от усиления активной среды и величины обратной связи проанализирована по известной методике [3] в приближении стационарного режима генерации, однородного уширения контура усиления, равномерного распределения ненасыщенного коэффициента усиления 0 по активному объёму и равномерного распределения интенсивности излучения генерации в поперечном сечении резонатора. Как показали расчёты, для достижения максимальной эффективности преобразования при М = 4Е5 (минимальная величина для генерации пучка с высоким качеством), необходимо усиление 0l = 10Е12, l - длина активной среды. Величина энергетической эффективности резонатора, равная 90% от максимальной, достигается при 0l 4Е6. Такое усиление достижимо в СО2-лазере при непрерывной накачке и многопроходной схеме резонатора.
Рис. 2. Доля мощности E0/Etot внутри центрального пятна и интенсивность Im/I0 первого побочного максимума по отношению к осевой интенсивности пучка СФР в дальней зоне при различных значениях увеличениях резонатора.
Рис. 3. Зависимости параметра качества пучка K, относительного модового объема V и величины обратной связи R' от коэффициента увеличения резонатора.
Результаты расчётов позволяют сделать следующий вывод. При М > выходной пучок СФР приближается по качеству к гауссову, при этом имеется значимый выигрыш (в 2,5Е3 и более раз) в модовом объеме по сравнению с низшей модой УР такой же длины. Усиление активной среды, характерное для мощных электроразрядных СО2-лазеров с непрерывной накачкой, позволяет получить при M > 4 высокую эффективность преобразования энергии в резонаторе. Таким образом, существует возможность эффективного использования СФР в мощном технологическом СО2-лазере.
Результаты расчётов представлены в виде диаграмм в координатах коэффициент увеличения - длина активной среды и число Френеля - длина активной среды при оптимальном отношении апертуры зеркал резонатора к размеру пятен на зеркалах и при различных значениях усиления слабого сигнала и вредных потерь. Диаграммы позволяют путём выбора рабочей точки задать исходные данные для инженерного проектирования резонатора технологического СО2-лазера.
В реальном лазере угловое положение зеркал может отличаться от идеального, при котором ось резонатора проходит через центры апертуры всех зеркал и через центр фильтрующей диафрагмы. На основе дифракционных и геометрических расчётов сделан вывод, что деформация моды, наклон оси пучка и смещение пятен на зеркалах, вызванные наклоном зеркал, не превышают в СФР тех величин, которые характерны для устойчивого резонатора. Требования к стабильности углового положения зеркал не являются для СФР более жёсткими, чем для других типов резонаторов, которые используются в технологических лазерах.
Глава 3. Созданные в ИТПМ СО РАН технологические СО2-лазеры непрерывного действия семейства ЛОК, Сибирь существуют в нескольких модификациях. Общим для них является использование самостоятельного разряда постоянного тока для возбуждения активной среды, конструкция электроразрядного устройства со сплошными несекционированными электродами и общая компоновочная схема лазера: направления газового потока, электрического тока и направление распространения излучения в резонаторе взаимно перпендикулярны. Различаются лазеры длиной электродной системы в поперечном к газовому потоку направлении, количеством разрядов в общем газовом потоке (один или два), конфигурацией газодинамического контура. Электродная система включает общий для двух разрядов анод - медную пластину шириной вдоль потока 100Е140 мм, и два катода - медные трубки по обеим сторонам анода вблизи диэлектрических стенок канала. Газ прокачивается по замкнутому контуру при помощи центробежного вентилятора. Скорость газового потока на входе в разрядную камеру - 45Е60 м/с. Непосредственно за разрядной камерой по направлению потока расположен ребристый теплообменник, использующий в качестве хладагента воду. Максимальное рабочее давление газовой смеси CO2:N2:He - до 30 мм.рт.ст.
СФР установлен и исследовался на нескольких лазерах типа ЛОК, отличающихся количеством разрядных промежутков и длиной разряда.
Рис. 5. Схема СФР СО2-лазера Сибирь 1.
1,2 - сферические зеркала, 3 - кольцевое выводное зеркало.
Максимальная мощность излучения СО2-лазеров семейства ЛОК с СФР получена на лазере Сибирь-1 с двумя разрядными промежутками в общем газовом потоке. Схема резонатора показана ни рис. 5. В большем плече резонатора луч совершает по три прохода в каждом разрядном промежутке по Z - образной схеме. Увеличение резонатора равно 4,5, длина резонатора (расстояние между крайними сферическими зеркалами - 11,2 м). Диаметр отверстия связи в выводном зеркале равен 7,3 мм, диаметр апертуры зеркал в большом плече резонатора - 49 мм и равен расчетному значению центрального пятна распределения интенсивности. Кольцевое зеркало является вогнутым и образует со стоящим за ним по ходу луча выпуклым зеркалом (на рисунке не показано) телескоп, уменьшающий диаметр луча в 1,3 раза.
Максимальная мощность излучения лазера Сибирь-1 составила 8,3 кВт.
В таблице 1 дано сравнение лазера Сибирь-1 с СО2-лазерами Spectra Physics 8[8] и Toshiba Corporation [9], в которых активная среда возбуждается также самостоятельным разрядом постоянного тока.
Таблица Мощность Апертура Длина ре- Удельная излучения, зеркал, зонатора, мощность, Лазер Резонатор кВт мм м кВт/м Spectra Physics Устойчивый 1,5 - 8,05 0,820 ТЕМToshiba Неустойчивый 10 50 10 1,Corporation М = Сибирь-1 Самофильтрующий 8 49 11,2 0,М = 4,По мощности излучения с единицы длина резонатора СФР более чем в три раза превосходит устойчивый резонатор при генерации на ТЕМ00моде.
Удельная мощность лазера с СФР составляет около 70% аналогичной величины лазера с неустойчивым телескопическим резонатором.
Измерения пространственных характеристик излучения выполнены на лазерах Сибирь-1 мощностью 8 кВт и ЛОК-3М мощностью 3,5 кВт. Лазер ЛОК3М имеет также два разрядных промежутка при длине разряда 80 мм. Увеличение резонатора ЛОК-3М равно 4,5, компоновочная схема резонатора аналогична схеме лазера Сибирь 1. Для определения расходимости излучения в дальней зоне использовался метод фокального пятна. По результатам измерений расходимость излучения (полный угол по уровню 0,86 мощности) равна 0,68 мрад, а диаметр D пучка в ближней зоне, также измеренный методом калиброванных диафрагм - 30 мм. Этим величинам соответствует K = 0,66. Зависимость распределения интенсивности в сфокусированном пучке от мощности излучения измерена на установке лазере Сибирь-1. Распределение интенсивности в перетяжке пучка, сфокусированного ZnSe линзой с фокусным расстоянием 190,мм, регистрировалось методом сканирования отражающим цилиндром. Фокусирующая линза входит в состав резака, который используется для лазерной резки. Апертурный диаметр пучка на входе в линзу устанавливался при помощи телескопа равным 30 мм. На рис. 6 показано распределение мощности в пучке, полученное в результате сканирования перетяжки пучка в направлении, __________________________________ Рис. 6. Распределение интенсивности (результат сканирования щелью) в перетяжке пучка, сфокусированного линзой с фокусным расстоянием 190,5 мм.
перпендикулярном оси пучка. Измерения проводились в диапазоне мощности 0,5Е6 кВт. При этих мощностях осевая интенсивность возрастает с повышением мощности практически линейно, и не происходит видимых изменений диаметра пучка и формы распределения.
На основе достигнутой в лазере Сибирь-1 удельной мощности излучения 0,67 кВт с одного литра активного объёма сделаны оценки максимальной мощности, достижимой в СО2-лазерах с поперечным потоком типа ЛОК, Сибирь при увеличении длины разрядной системы и объёма активной среды. Показано, что при увеличении длина разряда до величин, не превышающих длину разряда в известных системах, может быть достигнута мощность излучения 15 кВт.
На рис. 7 в координатах мощность излучения - параметр качества представлены результаты настоящей работы (отмечены кружками), а также характеристики технологических лазеров двух ведущих мировых производителей - фирм Rofin Sinar [16] и Trumpf [17]. Стрелкой показан результат оценки максимальной мощности, достижимой в СО2-лазере с СФР. Пунктирной линией отме- Рис. 7. Мощность и качество излучения лазеров с СФР и технологических СО2-лазеров фирм Trumpf и Rofin Sinar.
Квадраты - лазеры с устойчивым резонатором, треугольники - щелевые лазеры Rofin Sinar с волноводно-неустойчивым резонатором и внешней пространственной фильтрацией, кружки в рамке - лазеры с СФР по результатам настоящей работы.
чена величина параметра качества, необходимая для качественной резки металлов [15]. Как видно из рисунка, лазер с СФР имеет к настоящему времени наилучшее сочетание мощность излучения - качество пучка среди лазеров (лчистых генераторов без внешних преобразований пучка), применяемых для резки. Более высокое качество пучка имеют лазерные системы Rofin Sinar с волноводно-неустойчивым резонатором и внешней пространственной фильтрацией. На момент публикации результатов лазер с СФР имел наибольшую мощность среди СО2-лазеров с качеством излучения ТЕМ00 моды (K 0,6), даже если иметь в виду и системы с преобразованием пучка.
На основе непрерывного СО2-лазера создан импульсно-периодический лазер с модуляцией добротности резонатора. В качестве модулятора использован вращающийся медный диск с прорезями. Модулятор помещён в малое плечо резонатора, где пучок имеет в 6 раз меньший размер и в 10 меньшую мощность по сравнению с выходным пучкам, это существенно облегчает управление характеристиками излучения. Для уменьшения длительности и увеличения мощности импульса модуляция производится в фокусе телескопа с коэффициентом увеличения 1:1, телескоп составлен из вогнутых цилиндрических зеркал.
азер генерирует в импульсно-периодическом режиме среднюю мощность около 5 кВт, длительность фронта лидирующего пика импульса равна приблизительно 0,1 мкс. Благодаря быстрому установлению стационарного распределения поля моды в СФР (за 1-2 прохода света по резонатору), пучок с высоким качеством формируется уже на переднем фронте импульса. Лазер используется в научных исследованиях для создания оптического разряда в сверхзвуковом потоке воздуха [18] и в технологических разработках.
Глава 4. В этой главе экспериментально исследуется возможность использования лазера с СФР для качественной резки металлов, в первую очередь - стали. На основе анализа литературных источников дан обзор механизмов образования грата и бороздок на поверхности реза. Отмечено, что отсутствуют теоретические модели, которые позволяли бы определять характеристики рельефа поверхности реза по заданным параметрам резки. Также указывается на отсутствие количественных методов оценки влияния пространственной структуры лазерного пучка на характеристики реза. Отсюда вытекает необходимость прямых экспериментов.
Исследовались характеристики реза (ширина реза, шероховатость поверхности, скорость резки) пластин низкоуглеродистой стали, коррозионно-стойкой стали и титана. Шероховатость (характерная высота неоднородностей) характеризуется в настоящей работе величиной Rz (ГОСТ 2789-73) и измеряется по стандартной методике. Проведено сравнение измеренных характеристик реза с известными результатами для лазера с устойчивым резонатором.
Производилась резка листов низкоуглеродистой стали толщиной от 1,5 до 25 мм с кислородом в качестве вспомогательного газа, нержавеющей стали до 25 мм с азотом и титановых пластин толщиной 20 мм и 30 мм с аргоном.
Схема процесса лазерной резки показана на рис. 8. Излучение фокусируется на материал. Коаксиально с лазерным лучом подаётся струя вспомогательного газа, выдувающего расплав. При относительном перемещении лазерного луча и образца образуется сквозной рез. Оптическая система установки для лазерной резки включает лазерный резонатор с увеличением 4,5, выходное окно из ZnSe, зеркальный телескоп для согласования диаметра выходного пучка ла- Рис. 8. Схема процесса лазерной резки.
зера и входной апертуры лазерного резака, систему плоских промежуточных зеркал, фазосдвигающее зеркало для преобразования плоской поляризации излучения в круговую, фокусирующую линзу из ZnSe. Координатный технологический стол построен по схеме летающая оптика (лазерный резак перемещается по двум поперечным координатам относительно неподвижного листа). Для стабилизации зазора между газовым соплом и разрезаемым листом применена система слежения на основе емкостного датчика.
При резке с кислородом в качестве вспомогательного газа (лазернокислородной резке) во всем диапазоне толщин получен рез без грата, боковые стенки канала реза близки к прямым. Сравнение полученных результатов с известными из научной литературы данными показало, что ширина реза и шероховатость поверхности реза близки к тем величинам, которые обеспечиваются при резке с помощью СО2-лазера, снабжённого устойчивым резонатором.
При резке нержавеющей стали с нейтральным газом шероховатость реза также близка для лазеров с СФР и с устойчивым резонатором. На примере резки титановых пластин толщиной 20 мм продемонстрирована возможность получать благодаря высокому качеству пучка узкие (шириной 0,3Е0,35 мм в средней части) резы с близкими к прямым стенками.
Экспериментально реализована кислородная резка низкоуглеродистой стали с поддержкой лазерным излучением [10] при использовании лазера с СФР. Лазерное излучение нагревает поверхность материала до температуры, при которой инициируется реакция горения. Канал реза формируется при сгорании железа в сверхзвуковой струе кислорода. Характеристики сверхзвукового сопла оптимизированы численно А.В. Зайцевым. Схема резки показана на рис. 9. Разрезались стальные листы толщиной 18, 32, 40, 50 мм. Для всех толщин получены резы без грата и с малой шероховатостью, определены оптимальные параметры резки. Измеренная величина шероховатости поверхности реза для листов толщиной 32 мм и 40 мм на половине толщины равна, соответственно, 15 мкм и 23 мкм. На рис. 10 показан образец детали, вырезанной из стали 10ХСНД, толщина листа - 32 мм.
Рис. 9. Схема кислородной резки, поддерживаемой лазерным излучением.
1 - форкамера резака, 2 - патрубок для подачи кислорода, 3 - сверхзвуковое сопло, 4 - струя кислорода, 5 - разрезаемый лист, 6 - лазерный пучок, 7 - фокусирующая линза.
а б Рис. 10. Фотографии детали (а) из стали 10ХСНД, t = 32 мм, и пластины, из которой вырезана деталь (б).
По результатам экспериментов сделан вывод, что особенности пространственной структуры пучка СФР не оказывают существенного влияния на характеристики реза. Шероховатость поверхности реза, ширина реза, форма канала реза близки для резов, выполненных при помощи СО2-лазеров с СФР и УР.
Глава 5 посвящена экспериментальному поиску закономерностей получения качественного реза при лазерно-кислородной резке низкоуглеродистой стали в области толстых листов (5Е25 мм). Во многих приложениях наиболее важным показателем качества является шероховатость поверхности реза. В настоящей работе величина шероховатости принята как критерий качества реза.
Источниками неоднородностей, бороздок на поверхности реза могут быть такие процессы, как циклический характер распространения фронта реза вследствие циклического характера процессов окисления, нестационарный характер удаления расплава с фронта реза, неустойчивости течения расплава, включая образование гребней и срыв капель, возмущения течения расплава, возникающие под влиянием отрывных течений и вихрей в газовом потоке, термокапиллярные движения расплава. Несмотря на большое количество теоретических и экспериментальных исследований, полная физическая картина образования рельефа поверхности реза к настоящему времени не построена. В настоящей работе экспериментальное исследование зависимости шероховатости поверхности от параметров резки проводилось с использованием обобщенных безразмерных переменных, аналогично тому, как это делается при анализе сложных физических систем методом подобия. В качестве обобщённых переменных выбраны безразмерная мощность Q, Q = W/ktTm, и число Пекле Pe, Pe = vb/,, а также масштабный фактор b/t, здесь b - ширина реза, k, , Tm - соответственно, теплопроводность, температуропроводность и температура плавления разрезаемого материала. Через переменные W/ktT, vх/ выражается распределение температуры в однородной сплошной среде, создаваемое движущимся линейным источником тепла (нагретая нить в потоке жидкости или газа) с линейной плотностью мощности W/t [11]. Приближение линейного теплового источника используется в простых моделях лазерной резки. Через переменные Q, Pe может быть выражен баланс мощности лазерно-кислородной резки, включающий мощность лазерного излучения, мощность, выделяющуюся при экзотермической реакции окисления железа, мощность, затрачиваемую на нагрев и плавление удаляемой части материала, и мощность потерь вследствие отвода тепла в материал из зоны реза за счёт теплопроводности [12]. Зависимость шероховатости от обобщенных переменных символически выражается следующим образом:
Rz/t = F(Q, Pe, b/t). (1) В задачу экспериментального исследования входит поиск ответов на вопросы:
описывают ли переменные Q и Pe экспериментальные данные, полученные при условии минимума шероховатости, и каков вид функции в соотношении (1)? В экспериментах использовался СО2-лазер с СФР Сибирь-1, описанный в главе 3. Лазерная резка производилась традиционным способом. Лазерный луч с круговой поляризацией фокусировался ZnSe линзой, струя кислорода чистотой 99.999% (объёмная доля О2) создавалась при помощи конического сопла.
Разрезались стальные листы толщиной 5, 10, 16, 20 и 25 мм. Для каждой толщины выбирался ряд значений лазерной мощности. При каждом значении мощности производились прямые резы при различной скорости и при разном положении перетяжки пучка по отношению к поверхности листа, и определялись значения скорости резки и ширины реза, при которых шероховатость поверхности имеет минимум. Шероховатость поверхности Rz измерялась при помощи лазерного конфокального сканирующего микроскопа Olympus LEXT и профилометра. Измерения производились в двух сечениях - на расстоянии 1/и 2/3 от верхней поверхности реза. Для характеристики данного образца выбиралась максимальная из двух величин. Ширина реза измерялась при помощи измерительного микроскопа УИМ-23.
Результаты оптимизации для всего диапазона толщин представлены на рис. 11 в координатах W, v, а на рис. 12 - те же данные, но в безразмерных координатах W/ktTm, vb/, теплофизические параметры взяты для чистого железа Рис. 11. Оптимальная скорость v резки при различной мощности W излучения и различной толщине t листа Рис. 12. Зависимость между безразмерными переменными W/ktTm, vb/ при условии минимума шероховатости.
при нормальных условиях. Для всех толщин от 5 до 25 мм диапазон мощностей, при котором производилась резка, составляет от 0,37 до 4,5 кВт, оптимальная скорость резки находится при этом в диапазоне от 0,7 до 40 мм/с. В координатах W/ktTm, vb/ все точки описываются одной зависимостью, которая близка к линейной. Отсюда следует, что во всем диапазоне толщин остается постоянной величина E = W/vtb, которая равна 19,4 Вт/мм3. Величина E представляет собой лазерную энергию, вложенную в единицу объёма удаляемого материала (при прямых стенках реза и коэффициенте поглощения излучения, равном единице). Связь между безразмерными параметрами может быть записана следующим образом:
( ) = 1 + Sf Pe (2) где Sf =Lm/cTm - число Стефана, Lm - удельная теплота плавления материала, c - удельная теплоёмкость, Em = (cTm + Lm) - энергия, необходимая для нагрева и плавления единицы объёма удаляемого материала.
Зависимость на рис. 12 дает скорость резки, соответствующую минимуму шероховатости при данной толщине и мощности излучения. Для каждой толщины шероховатость Rz зависит от мощности. Эта зависимость, согласно результатам экспериментов, имеет минимум, как то показано на рис. 13 для t = 10 мм.
Зависимости Rz от v и W дана в безразмерных координатах Rz/t, W/ktTm, vb/.
Рис. 13. Зависимость шероховатости поверхности реза от мощности излучения и скорости резки в безразмерных координатах Q, Pe при t = 10 мм.
Таблица 2.
Величины W/t, соответствующие миниt, мм 5 10 16 20 муму зависимости Rz(W) для разных W/t, Вт/мм 220 180 190 200 1толщин, представлены в табл. 2. Видно, что во всем диапазоне толщин минимум достигается при близких значениях величины W/t. Отсюда следует, что для всех толщин оптимальные значения W/t, vb приблизительно равны. Среднее для всех толщин значение W/t равно 194 Вт/мм. Этому соответствует оптимальная величина vb = 10,8 мм2/с, и условия резки с минимальной шероховатостью записываются следующим образом:
W/t = 194 Вт/мм (3) vb = 10,8 мм2/c (4) Условия в безразмерном виде выглядят следующим образом:
Q = W/ktTm = 1,6 (5) Pe = vb/ = 0,5. (6) Известно, что качественная лазерная резка имеет место в ограниченном диапазоне чисел Пекле [1]. В [1] сообщается о возможности существования оптимального числа Пекле. В настоящей работе существование оптимального числа Пекле экспериментально обосновано и найдена его величина, соответствующая однозначному количественному критерию качества реза.
Условия качественной резки для практического использования должны быть выражены через исходные (задаваемые) параметры. Ширина реза b не является исходной величиной при лазерной резке. Как следует из полученных экспериментальных данных, зависимость ширины b реза от толщины t листа при условии минимума шероховатости хорошо апроксимируется линейной зависимостью, b = 0,35 + 0,02t (b и t измеряются в миллиметрах). Исключив из (4) ширину реза, можно записать для резки с минимальной шероховатостью следующее соотношение, связывающие только исходные параметры v[мм/с] и t[мм]:
v = 10,8/(0,35 + 0,02t). (7) Условие (7) связывает оптимальную скорость резки с толщиной разрезаемого листа, а условие (3) даёт соответствующую оптимальную величину мощности лазерного излучения. В условие W/t = const входит только мощность W лазерного излучения. Очевидно, что скорость резки определяется полным балансом энергии, который включает также энергию экзотермической реакции окисления железа и потери энергии из зоны реза на нагрев образца.
Энергетический баланс лазерно-кислородной резки исследовался при оптимальных условиях, то есть, при минимальной шероховатости поверхности реза.
Баланс мощности записывается следующим образом [12]:
+ = + (8) где A - коэффициент поглощения лазерного излучения в канале реза, Wox - мощность, выделяющаяся в результате реакции окисления, Wm - мощность, затрачиваемая на нагрев и плавление удаляемого из канала реза материала.
Wcond - мощность, отводимая из зоны реза в материал за счет теплопроводности.
Была принята следующая методика определения компонент энергетического баланса: величины A, Wm, Wcond измерялись экспериментально, а величина Wox вычислялась из уравнения баланса (8).
Лазерные резы выполнялись на том же оборудовании, что и эксперименты по оптимизации. Разрезались листы низкоуглеродистой стали Ст3 толщиной 5, 10, 16, мм. Мощность W излучения и скорость v резки для каждой толщины выбирались из ранее установленных критериев получения минимальной шероховатости поверхности реза.
Потери мощности Wcond за счет теплопроводности измерялись калориметрически [13]. От полосы стали толщиной t отрезался прямоугольный образец, фиксировалось время резки. Ширина образца выбиралась такой, чтобы за время резки не происходило запирания тепла в узком образце.
Коэффициент поглощения излучения в канале реза измерялся в процессе резки как разность между мощностью перед фокусирующей линзой и мощностью, прошедшей через канал реза. Под коэффициентом поглощения здесь понимается интегральный коэффициент, когда учитывается также мощность, поглощённая при возможных многократных отражениях от фронта и стенок реза.
В эксперименте использовался измеритель мощности OPHIR 5000W-CAL-SH. По результатам измерений, при t > 5 мм величина A слабо зависит от t и имеет тенденцию к насыщению.
Мощность, расходуемая на нагрев и плавление удаляемой из канала реза части материала определялась из соотношения = [ + ], здесь , С, Lm - плотность, удельная теплоёмкость и удельная теплота плавления материала. Затем из (8) определялась величина Wox.
На рис. 14 представлены компоненты энергетического баланса, отнесённые к толщине разрезаемого листа. C погрешностью не более чем 7 % каждое из отношений вида Wn/t остаётся постоянным, при этом толщина листа изменяется в 3 раза. Это даёт основание говорить о приближенном подобии тепловых потоков на фронте реза при условии выбора параметров резки, соответствующих минимуму шероховатости Rz. Следует отметить, что все составляющие баланса (8) имеют приблизительно равную величину.
Полученный результат позволяет объяснить тот факт, что в условия (3), (5) входит только мощность W лазерного излучения. Можно записать следующее соотношение для энергии E лазерного излучения, вложенной в единицу объёма удаляемого материала с учётом (8) и соотношения для величины Em:
( ) = (1 + - ). (9) В условиях резки с максимальным качеством (с минимальной шероховатостью) отношения входящих в (9) компонент энергетического баланса остаются постоянным при изменении толщины разрезаемого листа. Поскольку A const, из (9) следует E const, что и наблюдается в эксперименте.
Полученные результаты позволяет предложить критерий для определения предельной толщины, при которой возможна резка с максимальным качеством. Известно, что если скорость резки становится меньше некоторой критической величины vc, шероховатость поверхности значительно возрастает из-за перегрева материала и перехода к неуправляемому распространению волны горении в боковом направлении. В экспериментах по поиску условий качественного реза неуправляемый режим резки возникал при скоростях менее 0,4 м/мин, или 6,7 мм/с. На рис. 15 показана зависимость оптимальной мощности излучения Wopt и оптимальной скорости резки vopt от толщины t разрезаемого листа, здесь же горизонтальными линиями отмечена Рис. 14. Величины компонент баланса мощности, отнесённые к единице толщины листа.
характерная величина критической скорости vc. Для достижения высокого качества (низкой шероховатости) реза найденная в настоящей работе оптимальная скорость vopt должна превышать нижнюю критическую скорость vc, должно Рис. 15. Зависимость оптимальной мощности излучения Wopt и оптимальной скорости резки vopt от толщины t разрезаемого листа.
Штриховые лини соответствуют скоростям vopt 0,1 vopt.
выполняться условие vopt > vc. Если в качестве нижней критической скорости принять величину 6,5Е7,5 мм/с, то, согласно (7), условие будет выполняться при толщине листа не более 40Е50 мм.
При лазерно-кислородной резке низкоуглеродистой стали следует считать проблематичным достижение высокого качества реза, если толщина листа превышает 40Е50 мм. Такой вывод согласуется с известными экспериментальным и практическим данным. Современные комплексы для лазерной резки позволяют качественно разрезать низкоуглеродистые и слаболегированные стали при толщине листа до 25Е30 мм [14]. При большей толщине целесообразно применять кислородную резку с поддержкой лазерным излучением (экспериментальная реализация и характеристики реза представлены в главе 4).
В главе 5 также обсуждаются механизмы образования шероховатостей при лазерно-кислородной резке. Фотография поверхности реза при толщине листа 16 мм показана на рис. 16. Представлены результаты исследования поверхности реза под микроскопом. Основным механизмом формирования рельефа в верхней части реза является циклический характер распространения фронта горения железа в кислороде, а неоднородности в нижней части связаны преимущественно с гидродинамическими процессами при течении расплава.
Отмечена характерная особенность - наличие круглых частиц на поверхности и в толще окисной плёнки на боковой поверхности реза. Количество частиц на _____________________________________________ Рис. 16. Поверхность образца резки излучением СО2-лазера с СФР.
Материал - сталь Ст.3, толщина листа - 16 мм.
Рис. 17. Фотографии поверхности реза при лазерно-кислородной резке листов низкоуглеродистой стали толщиной 20 мм (а ) и 10 мм (б).
единицу площади возрастает с толщиной листа, а для данной толщины возрастает в направлении от верхней части реза к нижней. Частицы видны на фотографиях поверхности реза, приведённых на рис. 17. Показаны участки поверхности на расстоянии приблизительно одной трети толщины листа от нижней поверхности листа. Характерный размер частиц при толщине листа 16 мм и оптимальных условиях резки равен 5Е20 мкм в верхней части реза, и 10Е50 мкм - нижней части.
Частицы идентифицированы как капли, которые оторвались от поверхности текущего расплава, затвердели при движении в потоке газа, а затем вновь попали на жидкую плёнку расплава. При попадании частиц на боковой поверхности реза возникают пространственные неоднородности, дефекты. Механизмы образования дефектов могут быть различными. Наблюдаются три типа неоднородностей. 1. Частица выступает над поверхностью затвердевшего расплава. 2. Попавшая в расплав частица возмущает течение расплава, и при затвердевании расплава образуются кратеры, бугры. 3. Частица касается поверхности затвердевающего расплава, но не остаётся в расплаве, а оставляет след, борозду. Вклад названных дефектов в формирование поверхности реза возрастает с толщиной листа.
В Приложении 1 дан вывод формул для расчёта наклона оси и смещения пятен при наклоне зеркал резонатора.
В Приложении 2 описаны автоматизированные лазерные технологические комплексы (АЛТК) для резки листовых материалов на основе СО2-лазеров с СФР, даны фотографии комплексов. Представлены копии документов об использовании результатов работы. Фотография АЛТК приведена на рис. 19.
Рис. 19. АЛТК на основе СО2-лазера с СФР мощностью 6 кВт на лазерно-технологическом участке в ИТПМ СО РАН.
В Заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.
1. Для лазерно-кислородной резки низкоуглеродистой стали найдены соотношения подобия, связывающие параметры резки с толщиной разрезаемого листа при условии минимальной шероховатости поверхности реза в диапазоне толщин 5Е25 мм. Экспериментальным путём установлено, что минимальная шероховатость достигается при оптимальных значениях безразмерной мощности излучения W/ktTm и числа Пекле vb/, которые равны, соответственно, 1,5Е1,и 0,5Е0,6. При этом во всём диапазоне толщин остаётся постоянной величина вклада лазерной энергии в единицу объема удаляемого материала, она равна (18Е20) Дж/мм3.
2. Измерен баланс энергии и определён термический КПД лазернокислородной резки при минимальной шероховатости поверхности реза. Установлено, что тепловые потоки, составляющие баланс энергии на фронте реза, а именно: AW - поглощённая лазерная мощность, Wox - мощность, выделяемая при окислении железа, Wcond - мощность, теряемая на нагрев образца и Wm - мощность, затрачиваемая на нагрев и плавление удаляемого материала, изменяются при изменении толщины t таким образом, что величины AW/t, Wox/t, Wcond/t, Wm/t остаются постоянными.
3. На основе найденных оптимальных значений обобщенных безразмерных параметров предложены простые соотношения для определения мощности излучения и скорости резки, при которых рез имеет минимальную шероховатость. Согласно оценкам, сделанным с использованием предложенных соотношений, высокое качество реза достижимо при толщине листов не более 40Емм.
4. При использовании СО2-лазера с самофильтрующим резонатором (СФР) экспериментально реализована кислородная резка низкоуглеродистой стали с поддержкой лазерным излучением. Продемонстрирована качественная резка листов толщиной от 20 до 50 мм без грата и с малой шероховатостью поверхности реза, определены оптимальные параметры резки.
5. Обоснована возможность значительного (в 3Е5 раз) повышения яркости излучения СО2-лазера непрерывного действия при использования СФР вместо традиционных устойчивого или неустойчивого лазерных резонаторов. Расчётным путём найдены пространственные характеристики выходного пучка СФР и оптимальные параметры резонатора. Определена область рабочих параметров СФР и разработаны рекомендации по инженерному проектированию СФР в технологических СО2-лазерах.
6. Впервые создан технологический СО2-лазер непрерывного действия мощностью 8 кВт с качеством пучка на уровне основной гауссовой моды устойчивого резонатора. Измеренный параметр К качества пучка равен 0,66 при числе Френеля резонатора 6,4. Показано, что возможным является создание непрерывных СО2-лазеров с СФР уровня мощности до 15 кВт при значениях параметров резонатора, обеспечивающих высокое качество излучения.
7. Экспериментально продемонстрирована возможность использования СО2 лазера с самофильтрующим резонатором для качественной резки низкоуглеродистой и коррозионно-стойкой стали без пространственной фильтрации излучения.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Голубев В.С. Механизмы удаления расплава при лазерной резке материалов // Глубокое каналирование и филаментация мощного лазерного излучения в вещество / Ред. В.Я. Панченко. М: Интерконтакт-наука, 2009. С. 102-143.
2. Gross M. Comprehensive Numerical Simulation of Laser Material Processing // Theory of Laser Material Processing / Ed. J. Dowden Dordrecht:
Springer, 2009. P. 339-380.
3. Ананьев Ю.A. Оптические резонаторы и лазерные пучки. М.: Наука, 1990. 264 c.
4. Gobbi P.O., Reali G.C. A novel unstable resonator configuration with a self-filtering aperture // Optics communications. 1984. V. 52. No 3. P. 195-198.
5. Siegman A. E. Performance limitations of the self-filtering unstable resonator // Optics Communications. 1992. V. 88, Issues 4-6. P. 295-26. Schulz W., Hertzler C. Cutting: modeling and data // Laser Physics and Applications. Subvolume C: Laser Applications / Eds: Poprawe R., Weber H., Herziger G.. Berlin: Springer-Verlag, 2004. P. 187-218.
7. Булышев А.Е., Ведерников Ю.А., Преображенский Н.Г. К расчёту характеристик лазерного резонатора // Квантовая электроника. 1980. Т. 7. N 5.
С. 1093.
8. Технологические лазеры. Справочник / Ред. Г.А. Абильcиитов. Т. 1.
М.: Машиностроение, 1991. 432 с.
9. Takhasaki Т., Kakisaki К., Sasaki N., Sakuma J. 10 kW CO2-laser for material processing // Proc. SPIE. 1986. V. 610. P. 50.
10. O'Neill W., Gabzdyl J.T. New developments in laser-assisted oxygen cutting // Optics and Lasers in Engineering. 2000. V. 34. P. 355-367.
11. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964. C. 262.
12. LIA Handbook of Laser Material Processing. Ed. Ready J.F. Orlando:
LIA Magnolia Publishing Inc, 2001. 715 p.
13. Карасёв В.А., Голубев В.С., Филиппова Е.О. Термический КПД и эффективный коэффициент поглощения лазерного излучения при газолазерной резке низкоуглеродистой стали в струе азота и воздуха // Физика и химия обработки материалов. 2009. N 6. C. 72-77.
14. Powell J. LIA Guide to Laser Cutting // Orlando: Laser Institute of America, 2008. 104 p.
15. Schlueter H. Advances in industrial high power lasers // Proc. SPIE.
2005. V. 5777. P. 8-15.
16. Rofin. Products. Rofin DC Series // URL: products/co2_lasers/slab_laser/dc_series/ (дата обращения 01.03.2010).
17. Laser Technology. Products. TruFlow // URL: products/cosub2sub-lasers/flow-lasers.html (дата обращения 01.03.2010).
18. Малов А.Н., Оришич А.М., Фомин В.М., Внучков Д.А., Наливайченко Д.Г., Чиркашенко В.Ф. Исследование структуры сверхзвуковых течений воздуха с подводом энергии от квазистационарного оптического разряда // Известия Томского политехнического университета. 2010. Т. 317. № 4. C. 155Ц160.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Иванченко А.И., Крашенинников В.В., Пономаренко А.Г., Шулятьев В.Б. Самофильтрующий резонатор в СО2-лазере непрерывного действия // Квантовая электроника. 1989. Т. 16. № 2. С. 305-307.
2. Иванченко А.И., Крашенинников В.В., Смирнов А.Л., Шулятьев В.Б. Технологический СО2-лазер мощностью 3 кВт с высоким качеством излучения // Квантовая электроника. 1994. Т. 21. № 7. С. 643-646.
3. Афонин Ю.В., Голышев А.П., Иванченко А.И., Малов А.Н., Оришич А.М., Печурин В.А., Филев В.Ф., Шулятьев В.Б. Генерация излучения с качеством ТЕМ00 моды в непрерывном СО2-лазере мощностью 8 кВт // Квантовая электроника. 2004. Т. 34. № 4. С.307-310.
4. Грачёв Г.Н., Иванченко А.И., Смирнов А.Л., Шулятьев В.Б. Неустойчивый резонатор с пространственной фильтрацией излучения в технологическом СО2-лазере // Квантовая электроника. 1991. Т. 18. № 1. С. 131-133.
5. Зайцев А.В., Ковалев О.Б., Оришич А.М., Фомин В.М., Шулятьев В.Б. Газодинамика лазерной резки толстолистовых металлических пластин непрерывным СО2-лазером // Вычислительные технологии. 2006. Т. 11, часть 1.
Специальный выпуск. С.74-83.
6. Зайцев А.В., Ковалев О.Б.,. Маликов А.Г, Оришич А.М., Шулятьев В.Б. Лазерная резка толстых стальных листов при использовании сверхзвуковой струи кислорода // Квантовая электроника. 2007. Т. 37. № 9. С. 891-893.
7. Данилов В.И., Зуев Л.Б., Кузнецова Н.И., Малов А.Н., Оришич А.М., Фомин В.М., Шулятьев В.Б. Особенности лазерной резки листовой стали и мониторинг качества образцов после лазерного воздействия // Прикладная механика и техническая физика. 2006. Т. 47. №4. С. 176-184.
8. Маликов А.Г., Оришич А.М., Шулятьев В.Б. Резка металлов излучением СО2-лазера с самофильтрующим резонатором // Квантовая электроника.
2009. Т. 39. № 2. С. 191-196.
9. Маликов А.Г., Оришич А.М., Шулятьев В.Б. Экспериментальная оптимизация газолазерной резки толстых стальных листов // Квантовая электроника. 2009. Т. 39. № 6. С. 547-551.
10. Фомин В.М., Маликов А.Г., Оришич А.М., Шулятьев В.Б. О законах подобия газолазерной резки толстых стальных листов. Доклады Академии Наук. Физика. 2009. Т. 428. №. 3. С. 325Ц329.
11. Фомин В.М., Маликов А.Г., Оришич А.М., Шулятьев В.Б. Подобие тепловых потоков при лазерно-кислородной резке стали // Доклады Академии Наук. Физика. 2011. Т. 436. №2. С. 1-4.
12. Ковалев О.Б., Оришич А.М., Фомин В.М., Шулятьев В.Б. Сопряженные задачи механики сплошных сред в процессах газолазерной резки металлов // Прикладная механика и техническая физика. 2001. Т.42. №6. С.106-116.
13. Шепеленко А.А., Шулятьев В.Б. Измерение расходимости излучения СO2-лазеров // Приборы и техника эксперимента. № 5. С. 157-158.
14. Оришич А.М., Фомин В.М., Шулятьев В.Б., Ермолаев Г.В., Зайцев А.В., Ковалев О.Б., Маликов А.Г., Юдин П.В. Способ резки толстых металлических листов // Патент на изобретение РФ №2350445. Бюллетень: Изобретения.
Полезные модели. 2009. № 9.
15. Шулятьев В.Б., Константинов С.А., Оришич А.М., Шихалев Э.Г., Иванченко А.И., Голышев А.П. Способ лазерной резки деталей из тонких листов // Патент на изобретения РФ № 2225782. Бюллетень: Изобретения. Полезные модели. 2004. №8. С. 693.
16. Иванченко А.И, Шулятьев В.Б. Проточный газовый лазер // Патент на изобретение РФ № 1702842 // Бюллетень: Изобретения. 1993. № 2. С.255.
17. Malikov A. G., Orishich A. M., Shulyatyev V. B. Scaling laws for the laser-oxygen cutting of thick-sheet mild steel // International Journal of Machine Tools and Manufacturing. 2009. V. 49. No. 14. P. 1152-1154.
18. Голов B.K., Иванченко А.И., Крашенинников В.В., Пономаренко А.Г., Шепеленко А.А., Шулятьев В.Б. Технологический СО2-лазер мощностью 2,кВт // Известия СО АН СССР. Cерия технических наук. 1986. № 10, вып. 2.
С. 87-91.
19. Смирнов А.Л,, Шулятьев В.Б. Численное и экспериментальное исследование самофильтрующего неустойчивого резонатора применительно к проточному СО2 лазеру // Моделирование в механике. Сб. науч. трудов. Новосибирск, ИТПМ СО АН СССР, 1988. Т. 2. № 6. С. 115-120.
20. Orishich A.M., Malikov A.G., Shulyatyev V.B., Grachev G.N., Statsenko P.A., Trashkeev S.I. CO2 laser with self-filtering unstable resonator applied for cutting // 27th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics:
Proceedings. Temecula, CA USA, 2008. P. 671-621. Orishich A. M., Malikov A. G., Shulyatyev V. B. Scaling Laws for the Reactive-gas Laser Cutting of Thick Steel Sheets // 28 International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics: Proceedings. Orlando, FL, USA, 2009.
P. 276-280.
22. Golishev A.P., Ivanchenko A.I., Orishich A.M., ShulyatТev V.B.. Industrial CO2-lasers of power up to 10 kW with high quality radiation // Proc. SPIE. 2001.
V. 4184. P.415-418.
23. Малов А.Н., Малов Н.А., Оришич А.М., Шулятьев В.Б., Печурин В.А., Филев В.Ф. Резка толстых металлических пластин излучением СО2-лазера с самофильтрующим резонатором// 5 Международная конференция Лазерные технологии и средства их реализации: труды. С.-Петербург, 2003. C. 39-47.
24. Afonin Yu.V., Filev V.F., Fomin V.М., Golyshev А.P., Kovalev O.B., Malikov A.G., Orishich А.М, PrikhodТko Y.М., Fomichev V.P., Shulyatyev V.B.
Spacing saving electric-discharge СО2 laser with a high (up to 14 kW) radiation power, with convective cooling of the working medium and gas pumping by an extended disk fan // Proc. SPIE. 2006. V. 6346. Pt. 1. P. 63461B-1.
25. Fomin V.M., Filev V.F., Pechurin V.A., Orishich A.M., Golyshev A.P., Malov A.N., Afonin Yu. V., Shulyatyev V.B. High power high beam quality industrial CO2-lasers and material processing systems // XII International Conference on the Method of Aerophysical Research: Proceedings. Pt. III. Novosibirsk: Nonparel, 2004, P. 65-70.
26. Orishich A.M., Zaitsev A.V., Kovalev O.B., Malikov A.G., ShulyatТev V.B., Yudin P.V. Laser-assisted oxygen cutting of thick steel plates in supersonic flow // XIII International Conference on the Methods of Aerophysical Research: Proceedings. Pt. V. Novosibirsk: Parallel, 2007 P. 120-124.