CC BY
13УДК 539.8:533.9+621.9:672.1
Исследование прецизионной резки щелевых отверстий большого калибра в стальных листах излучением одномодового волоконного лазера
12 2 2 © В.П. Панченко1, А.М. Сорока2, А. А. Витшас2, А.Г. Зеленцов2,
В.П. Менахин2, А.В. Яксон2
1 ФГУП ГНЦ РФ «ТРИНИТИ», Москва, 142190, Россия
2 ООО «Страж-Лазер», с. Беседы, Московская обл., 142715, Россия
Представлены результаты исследования прецизионной резки щелевых отверстий в листах низкоуглеродистой стали толщиной до 10 мм одномодовым излучением волоконного лазера мощностью 1 кВт. При использовании одномодового импульс-но-периодического излучения и кислорода получено от 30 до 70 калибров щелей при их ширине до &60 мкм. Измерены скорость резки (50... 100 мм/мин), шероховатость, твердость поверхности реза и определена фазовая структура стали. Вычислены эффективность прецизионной резки (&3 %) и эффективность транспортировки излучения (25 %) в «волноводном» режиме. Предложена качественная модель лазерно-кислородной резки при глубоком каналировании.
Ключевые слова: лазерная резка, волоконный лазер, прецизионная резка, низкоуглеродистая сталь, эксперимент, скорость резки, ширина щели, число калибров, поверхность реза, шероховатость, твердость, фазовая структура.
Введение. В ряде областей металлообработки (таких как автомобильная, авиационная, химическая, энергетическая, электротехническая и атомная промышленность) имеется необходимость в прецизионном и качественном (масштаб шероховатости, степень закалки поверхности, отсутствие грата и др.) вырезании щелевых отверстий шириной не более 150 мкм произвольной формы при числе калибров K > 30 в толстых (до 20 мм) металлических листах. Например, для нефтегазового комплекса требуются скважинные трубчатые (диаметром 150 мм) фильтры с числом щелей до « 10 000 размером 40 х 0,3 мм на длине до 15 м.
Эффективным и высокопроизводительным способом решения указанной задачи является использование лазерных технологий [1-7]. Однако стандартные технологические С02-лазеры не позволяют получать щелевые отверстия и радиусы закругления менее 250 мкм. Кроме того, число калибров K = h/b обычно не превышает 20 (b — ширина щели, h — ее глубина, в данном случае равная толщине листа).
Технологические лазерные установки на основе маломодовых иттербиевых дисковых и волоконных лазеров (ВЛ) с длиной волны X = 1,07 мкм и мощностью излучения до 5 кВт при КПД « 30 %, принципиально отличающиеся от СО2-лазеров, позволяют вырезать в лазерно-газовом режиме щелевые отверстия шириной 150...200 мкм
в листах металлов [4, 7-10]. При этом типичное число калибров не превышает 30, излучение в щели распространяется с малыми потерями по законам геометрической оптики, а напора технологического газа достаточно для выноса расплавленного металла из зоны реза [7-9].
При более глубоком каналировании (К > 30) процесс резки усложняется за счет сильного ослабления излучения в «волновод-ном» режиме его распространения в щелевом отверстии [1-3] и недостаточного из-за больших гидравлических потерь давления технологического газа для удаления жидкого металла из зоны реза.
В связи с этим необходимо решить следующую задачу: экспериментально проверить возможность достижения К > 30 при лазерно-газовой резке с помощью мало- или одномодового излучения ВЛ, определить условия, при которых она реализуется, и построить физико-математическую модель процесса.
Такое исследование имеет большое научно-техническое значение: оно позволяет выяснить, как протекают связанные и взаимозависимые теплофизические, газодинамические, химические и оптические процессы, имеющие различные пространственные и временные масштабы и определяющие взаимодействие потока энергии большой плотности с металлом [2, 3, 5, 8]. Практическое значение заключается в том, что благодаря полученным результатам можно определить технологические возможности ВЛ, его экономические преимущества с учетом энергетических и эксплуатационных затрат, оптимальные области и перспективы применения в металлообработке [11].
Настоящая работа направлена на решение указанных задач и экспериментальное определение закономерностей и особенностей прецизионной резки щелевых отверстий большого калибра в стальных листах излучением одномодового ВЛ мощностью 1 кВт.
Экспериментальный стенд и условия проведения исследований. Для экспериментальных исследований процесса взаимодействия излучения одномодового ВЛ с металлами и получения малоразмерных щелевых отверстий в стальных заготовках или изделиях при большом числе калибров (от 30 и более) был разработан и изготовлен стенд (рис. 1). Основу стенда составляет отечественный одномодовый иттербиевый лазер (длина волны X = 1,07 мкм) мощностью излучения 1 кВт с параметром М 2 < 1,2, способный работать как в непрерывном, так и в им-пульсно-периодическом режиме с регулируемой скважностью.
Генерируемое в лазере излучение подводится по волоконному кабелю к неподвижной режущей головке фирмы Ргескес, расположенной на кронштейне вертикально над подвижным рабочим (координатным) столом на аэродинамических опорах с полем резки 500 х 500 мм. В лазерной головке расположены коллиматор с фокусным расстоянием 60 мм, создающий излучение с апертурой пучка = 8 мм, линза с фокусным
расстоянием Е = 200 мм и сужающееся коническое сопло с выходным диаметром 1 мм для создания потока режущего (технологического) газа соосно лазерному лучу. Излучение направляется вдоль оси конического сопла перпендикулярно поверхности обрабатываемого изделия (по оси £).
Ь
Рис. 1. Структурная схема экспериментальной установки: 1 — лазерный блок; 2 — оптоволоконный кабель; 3 — лазерная режущая головка с устройствами подачи технологического газа и перемещения по высоте; 4 — рабочий стол на аэродинамических опорах; 5 — привод перемещения стола; 6 — блок
программного управления
Положение фокусного пятна, диаметр которого составляет й?ф « 25 мкм, может варьироваться от +5 до -5 мм относительно поверхности образца. Установка положения и перемещение рабочего стола, управляемого ЭВМ, осуществляются с помощью электропривода с точностью до ±5 мкм (при повторном позиционировании ±3 мкм).
В экспериментах по изучению процесса лазерно-газовой резки в условиях глубокого каналирования при высоком качестве поверхности реза варьировались следующие параметры:
• мощность лазерного излучения в импульсе, частота и скважность импульсов;
• толщина листовых образцов стали (от 1,5 до 12 мм);
• род режущего газа (кислород, воздух, азот);
• давление режущего газа (от 0,2 до 1,5 МПа);
• положение фокусного пятна относительно поверхности образца (от 0 до -4 мм).
Таблица 1
Основные параметры оптимальной резки оптоволоконным лазером листов низкоуглеродистой стали (СтЗ)
(режущий газ — кислород)
Толщина листа /г, мм Мощность излучения в импульсе, Вт Частота импульсов, Гц Скважность импульсов Давление газа, атм Положение фокуса, мм Скорость резки, мм/мин Ширина реза на входной (bi) / выходной (Ь2) поверхности, мкм Число калибров щели К
1,5 200 150...250 3 4...8 0 100 80/70 20
2,0 300 250 3 4...8 0 70 100/60 25
3,0 400 110 3 4...8 0 70 130/110 25
5,0 900 120 3 4 -2 60 140/120 39
6,0 900 120 3...4 3...4,5 0...-1 60 145/120 45
8,0 930 125...150 2,5...3 2,5 -1 50 150/130 57
10,0 950 120 2 5...6,5 -1...-2 20 200/170 57
Коррозион-
но-стойкая сталь 4,0 910 245 6 3,5 0 30 80/60 57
Расстояние от края лазерной головки до поверхности листа составляло 0,5.. .0,7 мм.
Экспериментальное исследование прецизионной лазерно-газовой резки. В экспериментах исследовалась резка щелевых отверстий произвольной формы в стальных (Ст3) листах толщиной от 1,5 до 12 мм, а также в листах коррозионно-стойкой стали толщиной 4 мм с целью получения минимальной ширины реза при высоком качестве его поверхности. В результате были получены воспроизводимые экспериментальные данные по оптимальной резке ВЛ малоразмерных щелевых отверстий с числом калибров до К = 60, которые в обобщенном виде представлены в табл. 1. В отдельных экспериментах число калибров достигало 80, а погрешность воспроизводимой вырезки отверстий сложной формы с характерным диаметром « 1 мм составляла ±5 %.
Установлено, что:
• прецизионная резка малоразмерных (~100 мкм) щелевых отверстий произвольной формы при числе калибров К > 30 реализуется только при использовании одномодового излучения ВЛ;
• использование маломодового излучения не позволяет реализовать прецизионную резку;
• прецизионная резка реализуется только при использовании кислорода в качестве режущего газа, т. е. она имеет четко выраженный лазерно-термохимический характер;
• для каждой толщины листа существует оптимальная совокупность определяющих параметров, обеспечивающих предельно большое число калибров, минимальную ширину щели и максимальную скорость резки;
• прецизионная резка реализуется только при импульсно-периоди-ческом режиме работы ВЛ с оптимальными скважностью 2.4 и частотой от 250 Гц (к = 1,5 мм) до 120 Гц (к = 10 мм), т. е. длительность воздействия излучения на металл составляет ти = 2.3 мс, а оптимальная мощность излучения в импульсе возрастает с увеличением толщины;
• скорость резки при большом числе калибров (К > 30) оказывается небольшой по сравнению с мощными С02-лазерами, сильно зависит от толщины листа и изменяется от 100 мм/мин (к = 1,5 мм, К = 20) до 50 мм/мин (к = 8 мм, К = 60);
• при увеличении средней мощности излучения за счет уменьшения скважности от оптимальной и при переходе к стационарному режиму увеличивается скорость резки, но при этом сильно возрастает ширина щели, приближаясь к значению, характерному для стандартных технологических С02-лазеров (~300 мкм);
• рез имеет клиновидную форму с относительным схождением а = (Ъ2 — Ь1)/(2к) по направлению луча, которое с ростом толщины
—2 —3
листа уменьшается от -10 до -10 ;
• допустимое давление кислорода ограничено снизу значением 0,25 МПа;
• поверхность реза имеет анизотропную шероховатость в виде бороздок, вытянутых по толщине листа вдоль луча (рис. 2);
• цвет поверхности реза имеет две отличающиеся по толщине области: вверху — темно-серый на глубину 20...30 % от толщины листа, внизу — золотистый (см. рис. 2);
• в щелевом отверстии остаются шлаковые агломераты серого цвета в виде кусков неправильной формы с характерным размером « Ь.
а б
Рис. 2. Общий вид и расположение трасс 1-5 измерения параметров шероховатости поверхности грани 4 образца стали Ст3 толщиной 8 мм (а) и фрагмент поверхности реза при увеличении в 25 раз (б)
Рис. 3. Распределение выступов шероховатости поверхности лазерной
резки для грани 4: а — трасса 1; б — трасса 3; в — трасса 5
Для определения шероховатости поверхности реза и неоднородности (волнистости) профиля использовались образцы резки листа низкоуглеродистой стали (Ст3) толщиной 8 мм, в основном в виде квадрата со стороной 8 мм. Параметры анизотропной шероховатости поверхности измерялись с помощью профилометра «Профи-130» на базе длиной 8 мм по пяти трассам, показанным на рис. 2, а, т. е. вдоль направления резки и поперек распространения излучения.
На рис. 3 показаны формы профилей поверхности лазерной резки по трассам измерений 1, 3 и 5 для грани 4, которые дают пред-
ставление о размерах и распределении выступов и впадин, т. е. о масштабе шероховатости поверхности. Формы профилей для остальных трасс и граней аналогичны.
В табл. 2 приведены средние значения класса шероховатости (чистоты) поверхности, среднее арифметическое отклонение профиля, средний шаг и средняя высота неровности профиля для всех пяти исследованных трасс.
Таблица 2
Значения основных параметров шероховатости поверхности реза
для грани 4
Номер трассы Класс шероховатости поверхности по ГОСТу Среднее арифметическое отклонение профиля, <Ла >, мкм Средняя высота неровности, <Яг >, мкм Средний шаг неровности (волнистости) профиля, <£т >, мкм
1 4 5,42 39,0 147
2 3 6,99 55,2 164
3 3 9,75 69,2 229
4 3 10,2 60,3 264
5 3 12,7 74,0 225
Среднее значение 3 9 ± 2 60 ± 10 210 ± 40
Характерно, что для верхней области реза длиной к1 « 0,2к по оси г, т. е. для зоны I (темно-серая область на рис. 2), отклонение профиля и высота неровности поверхности реза меньше в 1,5—2 раза, а класс шероховатости поверхности выше на единицу (трасса 1), чем в области «волноводного» распространения излучения (трассы 2—5).
В табл. 3 приведены средние (по пяти трассам) значения основных параметров шероховатости поверхности реза для каждой из четырех граней образца. Видно, что класс шероховатости составляет в среднем 3 по ГОСТ 25142—82, а характерная высота выступов шероховатости не превышает 10 мкм, что для ряда изделий может не потребовать дальнейшей обработки поверхности. При этом средний шаг неровности (волнистости) профиля составляет « 200 мкм.
Таблица 3
Средние (по пяти трассам) значения основных параметров шероховатости поверхности реза для каждой из четырех граней образца
Класс Среднее Средняя Средний шаг
Номер шероховатости арифметическое высота неровности
грани поверхности отклонение неровности, (волнистости)
образца по ГОСТу профиля, <Кг >, мкм профиля,
<Ла >, мкм <£т >, мкм
1 3 8 ± 3 65 ± 11 200 ± 50
2 3 7 ± 1 50 ± 8 190 ± 40
3 3 10 ± 2 60 ± 10 240 ± 60
4 3 9 ± 2 60 ± 10 210 ± 40
Для сравнения качества поверхности реза была проведена резка аналогичного листа стали излучением С02-лазерного комплекса ВуБрпП мощностью 3 кВт [4]. Измерения проводились по трем трассам образца, показанного на рис. 4. Поверхность реза имеет однородную светло-серую (серебристую) окраску, криволинейные бороздки в направлении сверху вниз и анизотропную шероховатость (см. рис. 4). Отклонение профиля, высота неровности и шаг неровности (волнистости) профиля поверхности реза увеличиваются вниз по толщине листа от значений <Яа > « 5 мкм, значений <Яа > « 13,5 мкм. ственно, т. е. в 1,5-2 раза, уменьшается от 4 до 3.
<RZ
<Rz >
> « 21,4 мкм, <Sm > = 220 мкм до к 31,6 мкм, <Sm > = 430 мкм соответ-класс шероховатости поверхности
а б
Рис. 4. Общий вид и расположение трасс 1-3 измерения параметров шероховатости поверхности реза листа низкоуглеродистой стали толщиной 8 мм излучением С02-лазера Ву8ргт1 мощностью 3 кВт (а), фрагмент поверхности реза при увеличении в 16 раз (б)
Следовательно, прецизионная резка с помощью ВЛ обеспечивает шероховатость поверхности на один класс ниже и приблизительно в 2 раза меньший шаг неровности профиля.
Установленные отличия характера резки с помощью ВЛ позволяют предположить, что верхняя зона I поверхности реза h1 образуется в основном под действием излучения с высокой плотностью мощности, распространяющегося по законам геометрической оптики. На это указывает и темный цвет поверхности реза (см. рис. 2).
Для того чтобы определить степень теплового воздействия (закалки поверхности и (или) самоотпуска) на материал в зоне реза, было измерено распределение твердости и определена фазовая структура стали на поверхностях листа, реза и шлифов на различной глубине от поверхности реза. Измерения проводились для образца, показанного на рис. 2, микротвердомером DuraScan 20, обеспечивающим инструментальную погрешность менее 1 %, а фотосъемка — оптическим микроскопом Olympus BX 51 в основном при увеличении в 500 раз.
На рис. 5 приведены результаты измерений твердости различных поверхностей образца, вырезанного из листа Ст3 толщиной 8 мм (см. рис. 2).
Среднее значение твердости необработанной поверхности листа составляет 190 кГ/мм2 (линия 1 на рис. 5). Фазовая структура стали на поверхности листа является изотропной с равноосными зернами феррита с небольшим (до 20 %) количеством перлита по граням зерен (рис. 6, а). Среднее значение твердости металла, измеренное на поверхности шлифа, сделанного на глубине 1 мм параллельно поверхности листа, составляет 149 кГ/мм2 (линия 4 на рис. 5).
Рис. 5. Распределения твердости по направлению реза для различных поверхностей образца, приведенного на рис. 2: 1 — среднее значение твердости поверхности листа; 2 — среднее значение для поверхности реза; 3 — среднее значение твердости вдоль трассы 3 (точками отмечены локальные значения твердости); 4 — среднее значение твердости поверхности шлифа на глубине 1 мм от поверхности реза; 5 — среднее значение для нижней трассы 3 на поверхности реза при резке СО2-лазером (1 кГ/мм2 = 1 Ж = 9,81 МПа)
Твердость поверхности реза измерялась в 50 точках на каждой из трасс 1, 3 и 5 ^м. рис. 2, а) в направлении резки. Среднее значение твердости поверхности реза составило 229 кГ/мм2 при высокой однородности ±10 % (линия 2 на рис. 5). Там же (линия 3) приведены измеренные значения твердости для трассы 3 (50 точек по направлению 3 на рис. 2, а), среднее значение которой составляет (218 ± 26) кГ/мм2. При этом фазовая структура поверхностного слоя стали изменилась незначительно — появились зерна феррита размерами от 5 до 30 мкм (рис. 6, б).
¿ ' Ж
ШШШШШшШт
». л ж
г. - ^ у'-- '.
100 мкм
100 мкм
100 мкм
Рис. 6. Фазовая структура стали на поверхности листа (а) и на поверхностях реза при резке с помощью ВЛ (б) и СО2-лазера (в)
а
б
в
Путем последовательного срезания слоев металла параллельно поверхности реза и измерения твердости поверхности шлифов по трем трассам установлено, что на глубине 1 мм твердость стабилизируется на уровне (152 ± 14) кГ/мм (линия 4 на рис. 5), а фазовая структура близка к структуре стали на поверхности листа (см. рис. 6, а). Это состояние металла, согласующееся по твердости и структуре с металлом на глубине 1 мм, следует принять за невозмущенное ядро, твердость которого в 1,25 раза меньше, чем на поверхности листа.
Следовательно, резка ВЛ, характеризуемая числом Пекле Ре = УрЬ/<Хс> ~ 0,01 (где <Хс> — средняя температуропроводность стали), приводит к тепловому воздействию на глубину ~1 мм, которая согласуется с оценкой длины распространения тепловой волны ■^4% сЬ/Vр « 1 мм при экспериментальных значениях скорости резки
vр « 1 мм/с и ширины щели Ь « 100 мкм, а также к небольшому повышению твердости (закалке) поверхности реза в 1,2 раза относительно поверхности листа и в 1,5 раза относительно твердости стали в ядре. Это обусловлено тем, что в «волноводном» режиме транспортировки излучения поверхность реза по всей глубине щели находится под импульсно-периодическим воздействием лазерного излучения в течение длительного времени (из-за малой скорости резки).
За время тр = ДхД^ « 200 мс, затрачиваемое на прорезку металла на всю его толщину К и определяемого из эксперимента по скорости резки vр, тепловая волна распространится вглубь металла на характерное расстояние « 2,5 мм, которое приблизительно в 6 раз больше, чем при высокоскоростной резке стали излучением СО2-лазера. В результате нагрев и охлаждение поверхностных слоев стали происходят относительно медленно, что приводит к малой степени их упрочнения (закалки).
Безразмерная мощность Ве! =< Рл > /(кк СГС') и число Пекле Ре = vpЬ/<r%¿> имеют значения « 0,5 и « 0,01 соответственно, что намного меньше получаемых при резке СО2-лазерами (1,6 и 0,6) [5, 6].
Аналогичное исследование образца размером 20 х 8 х 10 мм, полученного при резке с помощью СО2-лазера (см. рис. 4), показало, что твердость поверхности реза сильно увеличивается по направлению распространения излучения (сверху вниз) — от среднего значения 170 кГ/мм2 для верхней трассы 1 (1 мм от поверхности листа) до 379 кГ/мм2 (линия 5 на рис. 5) для нижней трассы 3 (1 мм от нижней поверхности листа). При этом структура стали преобразуется из изотропной мелкозернистой «феррит (50 %) — перлитной» (рис. 6, а) в «перлит (90 %) — ферритную» (рис. 6, в).
Измерение твердости поверхности шлифов, полученных путем последовательного удаления слоев металла, показало, что уже на рас-
стоянии 0,5 мм от поверхности реза твердость приближается к своему значению 140 кГ/мм2 в ядре образца, которое меньше на 30 % твердости на поверхности листа. При этом структура стали в ядре является изотропной мелкозернистой «феррит (50 %) — перлитной». Следовательно, при резке СО2-лазером глубина теплового воздействия составляет « 0,5 мм, что согласуется с длиной распространения тепловой волны ■s|4%Cb/VP « 0,4 мм V « 50 мм/с, Ь « 300 мкм, Ре « 1,5).
Для дальнейших оценок примем экспериментальные значения для частоты следования импульсов уи « 120 Гц, для скважности « 3 и скорости резки V, « 0,9 мм/с. Размер (шаг) «ступеньки» Дх в направлении реза (по оси х) близок к масштабу неоднородности профиля (волнистости) шероховатости и, по экспериментальным данным, Дх ~ Ь. Тогда количество циклов для прорезания металла на толщину К2 = К - К1 составит Ыц = Дх уи Ыр « 30, а длительность одного цикла т1 « 1/уи « 8,3 мс, время импульса излучения в одном цикле ти « 2,8 мс, время между импульсами (пауза) 5,5 мс. Толщина вырезаемого (удаляемого) со «ступеньки» металла за один цикл Дг1« К2Шц « 200 мкм.
Полезная удельная мощность входного лазерного излучения, т. е. мощность, отнесенная к объемному расходу удаленного (вырезанного) металла, = <Pл>/(kЬvр) « 7-1011 Дж/м3 и оказывается с точностью до 20 % близкой к постоянному значению для всех исследованных толщин листовых образцов низкоуглеродистой стали. Это позволяет применять полученное соотношение для оценки оптимальных скоростей резки листов низкоуглеродистых сталей при использовании одномодовых ВЛ повышенных мощностей.
Анализ результатов экспериментального исследования и модель прецизионной резки. При изучении поверхностей реза установлено, что существуют не только характерные области по глубине щели, но и характерные масштабы шероховатости и среднего шага неровности профиля (волнистости) поверхности реза в направлении вектора скорости резки (по оси х), который имеет порядок ширины реза: Дх « Ь. Это позволяет предположить, что расплавление слоя металла и его удаление происходят с образованием «ступеньки» (уступа, или полки), движущейся в направлении луча по оси г сверху вниз последовательными циклами, или этапами. До глубины К = ё^/к^ « 1 мм (ё ф — диаметр фокусного пятна) излучение распространяется в щели по закону геометрической оптики, а ниже — в «волновод-ном» режиме с многократными отражениями от трех стенок [1-3].
Предполагая, что перед удалением пленки жидкого металла его средняя температура <Tf > достигает значения <Tf > = (ГС"- ГС')/2 = = 2 450 К (где ГС' = 1 850 К, Т" = 3 100 К — температура плавления и
кипения стали соответственно), из баланса энергии лазерного излучения получаем, что мощность, затрачиваемая собственно на резку со скоростью vр щели размером Ь х К и включающая нагрев металла до ТС', теплоту плавления Л' и нагрев наружного слоя жидкого металла до температуры, близкой к Т'', составляет ~ 8,1 Вт:
0р = 5ЫШр * 8,1 Вт,
где К = 8 мм, скорость резки V, ~ 1 мм/с, а объемная плотность энергии, затрачиваемой на нагрев стали от начальной температуры Т0 до <Tf > и ее плавление, 5м =Р е[ое(Т'е- Т>) + Л'С ] + р жсж (<Т> -- Т'с) * 12,2 • 109 Дж/м . Для оценочных расчетов принимались следующие характеристики стали: рС = 7,7 • 103 кг/м3, рж = 7,5 • 103 кг/м3, Сс = 700 Дж/(кг • К), Сж = 840 Дж/(кг • К), кС = 45 Вт/(м • К), <%с> = 0,9 • 10-5 м2/с, %ж= 0,4 • 10-5 м2/с, Лс = 0,84 • 105 Дж/кг, Л" = = 6,1 • 106 Дж/кг — теплота плавления и испарения стали соответственно.
Средняя по времени мощность подводимого к поверхности листа лазерного излучения <Рл> составляет 310 Вт при мощности излучения в импульсе Рл = 930 Вт. Следовательно, по экспериментальным данным при глубоком каналировании эффективность (КПД) прецизионной резки с помощью ВЛ, определяемая как це = 0р/<Рл> или Пе = 5м/^л, составляет 2,6 %. Эта эффективность определяется эффективностью транспортировки (доставки) одномодового излучения в «волноводном» режиме Пд, коэффициентом его поглощения поверхностью металла пп, значение которого для длины волны ~1 мкм известно и составляет 30-40 % [12], и долей тепловых потерь в от поглощенной энергии излучения в зоне реза. Тепловые потери обусловлены в основном теплопроводностью по четырем направлениям на
характерное расстояние д/4 <%с> ти * 350 мкм. Оценки показывают,
что в жидкой пленке металла перед ее удалением аккумулируется 4,8 • 10 Дж, а тепловые потери составляют 11 • 10 Дж, т. е. их доля в * 0,7.
В этом случае эффективность доставки одномодового излучения Лд * ^ ч * 0,25 при Лп = 0,35.
Лп (1 -в)
После удаления жидкой пленки и выключения излучения происходит охлаждение нагретой области за время т2 = т1 - ти = 5,5 мс до характерного размера * 500 мкм. Установившаяся температура, оцененная по балансу энергии с учетом удаления жидкой пленки, составляет * 400 К. Это значение является начальной температурой металла Т0 на «ступеньке» перед нагревом и входит в расчет величины 5м.
Экспериментальный факт отсутствия прецизионной резки при использовании маломодового излучения ВЛ обусловлен, по-видимому, значительно меньшей эффективностью транспортировки такого излучения к зоне реза.
Полученные результаты позволили разработать модель лазерно-газовой прецизионной резки при глубоком (К > 30) каналировании. Основные положения этой модели заключаются в следующем.
В верхней по лучу поверхности реза толщиной К1, протяженность которой составляет ~20 калибров щели, резка происходит стандартным образом, т. е. под влиянием в основном лазерного излучения большой плотности (до -106 МВт/м2), распространяющегося по законам геометрической оптики. При этом динамического напора и избыточного статического давления технологического газа достаточно для сдува образовавшегося расплава металла на наклонном фронте резки [1, 2].
В основной части щели статическое давление в затопленной пристенной струе близко к атмосферному (изобарическая струя) уже при K > 30. Большие гидравлические потери напора, пропорциональные К/Ь, и расширение струи по закону, близкому к 1/г, приводят с учетом нагрева газа к сильному (в 4-5 раз) уменьшению входной дозвуковой скорости газа (не более 50 м/с). Следовательно, динамического давления потока (не более 103 Па) недостаточно для сдува образовавшегося расплава металла с поверхности «ступеньки» [14, 15].
Таким образом, при глубоком каналировании резка реализуется только при импульсно-периодическом режиме излучения, а образование пленки жидкого металла толщиной г1 на поверхности «ступеньки» размером ДхЬ и ее удаление (сдув) происходят последовательно и прерывисто с определенной задержкой.
В «волноводной» зоне плотность излучения, поглощаемая верхним слоем металла «ступеньки», Ъ = РлЛдПп (1 - в)/(ДхЬ) * 1,2 • 103 МВт/м2. Такой плотности лазерного излучения недостаточно для возникновения развитого (взрывного) испарения металла, но достаточно для его интенсивного нагрева [1, 16].
Оценка плотности теплового потока в стенку, обусловленного гетерогенными экзотермическими реакциями окисления железа (тепловой эффект реакции Бе + ""Ог ^ БеО составляет 4,8 МДж/кг) и примесей, даже при полном использовании потока кислорода в щели составляет ~102 МВт/м2 , что более чем на порядок меньше плотности поглощаемого лазерного излучения (3 • 103 МВт/м2) [13].
Характерное время нагрева и плавления стали тн = 4<х>(5м//те)2 (где <%> = 0,65 • 10-5 м2/с) на «ступеньке» толщиной Дг1 от температуры Т0 до температуры ее поверхности Т , близкой к температуре
кипения Тно меньше ее, т. е. Т*< Т", оценивается с помощью баланса энергии 5мЛ/4 <хм> тн = 1ктн и составляет * 2,6 мс, что близко
к экспериментальному значению времени импульса излучения ти.
После нагрева приповерхностного слоя жидкой пленки до температуры Т начинает происходить объемное вскипание примесей (Сг, Си, N1, Б1, Б, Лб), у которых температура кипения ниже, чем у железа, и, возможно, выделение растворенных газов [16]. Этому процессу, вероятно, способствуют локальные неоднородности лазерного излучения на поверхности. Возникающий поток паров выбрасывает навстречу потоку кислорода жидкие частицы (капли) расплава с доминирующим содержанием железа, распределение которых по размерам является бимодальным по экспериментальным данным [16]. Средний диаметр частиц мелких фракций ds1 составляет 60 нм при их
18 _3
концентрации Мл * 10 м , а средний диаметр крупных частиц ds2 = 10 мкм.
Поглощая падающее на них излучение, в том числе отраженное от жидкой пленки, малоразмерные жидкие частицы испаряются за время т~ ржЛ жds1 /(3лп 1л) * 0,2 мкс (пп * 0,35); пары имеют температуру, близкую к температуре кипения 3 100 К, и концентрацию пРе * 9 • 1024 м-3.
В результате над жидкой пленкой образуется слой парогазовой двухфазной смеси, состоящей из газовой смеси кислорода С концентрацией пОг * 7 • 1024 м-3 и паров железа, которые перемешиваются и выравнивают концентрацию и температуру за время тсм ~ (¡02/хп *
1/3
* 10 нс (¡ц ~ 1/(Мл) * 1 мкм), и крупных частиц железа (время их испарения составляет * 50 мкс). Эта смесь после быстрого смешения, близкого к изохорическому, приобретает температуру * 1 900 К и давление * 0,4 МПа, так как за время пребывания кислорода над жидкой пленкой тп ~ 10-5 с происходит его нагрев до температуры
* 1 000 К на толщину ^4 <хО2 > тп * 100 мкм, а пары железа имеют
температуру * 3 100 К.
В «горячей» газофазной смеси горючего и окислителя возникают экзотермические химические реакции окисления железа
Бе + -О 2 о- БеО и примесей. Характерное время этих реакций
тхим * (5... 20) • 10-8 с, что меньше гидродинамического времени тгд = Ах/е5 * 0,3 мкс (с — скорость звука) [14, 15].
Состав продуктов реакции и температура были рассчитаны в приближении термодинамического равновесия при указанных концентрациях железа и кислорода и давлении 0,4 МПа по программе
работы [18]. Равновесный состав продуктов реакции, которые имеют температуру 3 480 К, включает конденсированную (массовая доля
* 60 %) и газовую (* 4 %) фазы БеО, конденсированную фазу Бе3О4 (6 %), пары примесей С, Сг, N1, Си, Мп, и (или) пары их окислов видов МгО и МгО2 в мольных долях от 0,1 до 0,5 %.
Так как процесс носит нестационарный характер, то в поле мощного излучения конденсированные фазы БеО и Бе3О4 не могут сформироваться, хотя температура их кипения * 3 700 К. Их существование в паровой фазе приведет к увеличению давления продуктов реакции до 0,74 МПа. Однако появление молекул БеО в газовой фазе, колебательные и нижние электронные уровни которых сильно возбуждены, а линии поглощения сильно уширены, вызовет интенсивное поглощение излучения с длиной волны 1,07 мкм. При быстром тушении возбужденных уровней молекул БеО возрастут температура парогазовой смеси, по-видимому, до * 4 900 К, которая ограничена диссоциацией молекул БеО (энергия диссоциации молекулы БеО * 49 кК), и давление до 1,1 МПа [19]. Отметим, что приведенных параметров плазмы (концен-
22 -3 10 2
трация электронов ~10 м" ) и плотности излучения ~10 Вт/м недостаточно для оптического пробоя в течение времени, меньшего тгд.
Скачок давления до ~1 МПа в «горячей» пробке размером ДхЬДгг (Дгг ~ Ь) приведет к возникновению ударной волны (волны сжатия) с числом Маха * 2 и спутного потока смеси за ней со скоростью
* 700 м/с навстречу потоку кислорода и излучению, которые были оценены с помощью соотношений для ударной трубы итерационным методом [14, 15].
Размер «горячей» пробки, давление и температура в ней изменяются и существуют в течение времени тд, оно только в несколько раз больше гидродинамического времени тгд. Распространение ударной волны в плоскости гх (при удалении от поверхности волну можно рассматривать как цилиндрическую) приводит к ее затуханию и уменьшению скорости спутного потока. В приближении постоянного
расхода скорость газа уменьшается как
zb
Высота и время
.2
подъема газа определяются равенством динамических давлений продуктов реакции и кислорода и составляют ~1 мм и ~20 мкс соответственно.
Давление парогазовой смеси <рп> в «горячей» пробке над жидкой пленкой создает импульс силы <Р/тд>, приложенной к жидкой пленке объемом V/ = АхАг/ Ь и массой ту = р/У/. Этот импульс силы выталкивает пленку в основном в открытую сторону щели (вдоль оси х). Движение жидкой пленки оценивается с помощью уравнения импульсов
-1
ССиг
ту—— = г,. / сИ /
Ее характерная скорость <и/ > = <Рп > Тд * 0,3 м/с (<рп >* 0,5 МПа,
Р / Аг/
Тд ~1 мкс). При этих значениях время удаления (сброса) пленки Ах
т/--* 0,3 мс, т. е. т/ « ти.
2 <и/>
Экспериментально установлено, что в этот момент, т. е. после ти = 2,8 мс (по расчету — после 2,6 мс) от начала облучения, следует выключить лазерное излучение на время ~5,5 мс, необходимое для восстановления начального состояния среды над поверхностью металла. В противном случае, по-видимому, начнется испарение крупных капель и интенсивное поглощение излучения, что приведет к прекращению прецизионной резки. Таким образом, для восстановления условий, необходимых для прецизионной резки, следует удалить оставшиеся крупные частицы из зоны реза.
Движение сферических частиц диаметром С,2 = 10 мкм со скоростью и, оценивались с помощью уравнения импульсов
Си, „ т,—1 = г,, ' Л
где т, — масса частицы; Г, = 3л:С0лС,2Аи, — сила трения 211 6 3
(С0 = —— + + 0,25 > 1 — коэффициент сопротивления; Яе, = Яе, ^/Яе,
= рАи, Л, 2/ л; л — вязкость газа; Аи, = (V - и,) — относительная скорость частиц, причем знак и, может совпадать или быть противоположным скорости V газовой фазы). Время релаксации скоростной
р ,Л22
неравновесности тр =-. При рассматриваемых скоростях жид-
18лО)
кие частицы не дробятся, так как критерий Вебера We = = р(Аи,)2 С,2/аж ^ 1 и не превышает своего критического значения
Weкр = 17 при Аи, < 100 м/с (<зж * 1,7 Дж/м2 — поверхностное натяжение железа).
Решая уравнение импульсов с соответствующими начальными и граничными условиями при известной скорости восходящего потока парогазовой смеси, существующего в течение * 20 мкс, получаем скорость частиц * 10 м/с и высоту их подъема ~ 0,1 мм.
Нестационарное смешение встречных потоков кислорода и двухфазных продуктов реакций с различающимися температурами и плотностями в канале с развитой шероховатостью (2к, / Ь ~ 0,1) на высоте
~3 мм приведет в результате развития гидродинамической неустойчивости (за время ~10-5 с) к образованию крупномасштабной (~0,1 мм) вихревой структуры потока смеси, по-видимому, с малой (~1 м/с) скоростью направленного течения к поверхности «ступеньки».
После исчезновения спутного потока подъем частиц вверх происходит по инерции в течение * 0,5 мс до их остановки на высоте *3 мм. Далее вихревой поток газовой фазы, в основном кислорода, выносит частицы до поверхности «ступеньки» и в открытую сторону щели за время, которое оценивается также с помощью уравнения импульсов и составляет * 4 мс.
Таким образом, только при уровне направленной скорости выноса продуктов взаимодействия излучения и кислорода с металлом ~1 м/с расчетное время (4,5 мс) согласуется с экспериментальным значением необходимой паузы излучения.
Заключение. В данном исследовании получены новые научно-технические результаты, которые заключаются в следующем.
Использование одномодового излучения ВЛ мощностью до 1 кВт и кислорода в качестве режущего газа позволило реализовать процесс глубокого (К > 30) каналирования и получить щелевые отверстия произвольной формы шириной до * 60 мкм при числе калибров 30-70 в листах низкоуглеродистой стали. Прецизионная резка низкоуглеродистой стали при глубоком (К > 30) каналировании реализуется только при использовании кислорода в качестве режущего газа, т. е. имеет четко выраженный лазерно-термохимический характер. Влияние кислорода принципиально различается при прецизионной резке волоконным лазером и СО2-лазером. Кроме того, его влияние различно в разных областях реза по толщине листа. Прецизионная резка при глубоком каналировании реализуется только при импульс-но-периодическом режиме работы ВЛ с оптимальными скважностью и частотой. Класс шероховатости поверхности резки с помощью од-номодового ВЛ малоразмерных щелевых отверстий при глубоком каналировании составляет в среднем 3. Прецизионная резка с помощью ВЛ приводит в описанных условиях к незначительному повышению твердости поверхности реза (не более 20 % относительно твердости необработанной поверхности и не более 50 % относительно ее значения внутри листа) и, следовательно, к малому изменению свойств стали.
Эффективность прецизионной резки одномодовым излучением при большом числе калибров щели составляет не более 3 %, а эффективность транспортировки (доставки) излучения в «волноводном» режиме не превышает 25 % при коэффициенте поглощения металлом 0,35. Полезный удельный энерговклад при резке одномодовым излучением ВЛ составляет с точностью до 20 % н,л = N /(ИЬур) * 2-1012 Дж/м3 для любой толщины листовых образцов низкоуглеродистой стали.
Предложенная модель лазерно-газовой (кислородной) резки объясняет циклический и прерывистый характер резки при самосогласованном импульсно-периодическом режиме работы лазера с оптимальной скважностью и необходимость использования кислорода в качестве режущего газа.
Авторы благодарят В.М. Плотникова, Г.Г. Гладуша, Ю.С. Комис-сарчука и Р. А. Чекрыжёва за полезные обсуждения, ценные замечания и помощь в работе, а Л.А. Королеву, Л.Ф. Соловьеву и А.В. Жукова — за проведение расчетов и обработку экспериментов.
Работа выполнена при частичной поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (госконтракт № 8372р/13353 от 14.09.2010 г.).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Gladush G.G., Smurov I. Physics of Laser Materials Processing. Theory and Experiment. Germany, Springer Verlag, Berlin-Heidelberg, 2011, 534 p.
[2] Панченко В.Я., ред. Глубокое каналирование и филаментация мощного лазерного излучения в веществе. Сб. тр. Ин-та проблем лазерных и информационных технологий. Москва, Интерконтакт «Наука», 2009, 266 с.
[3] Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. Москва, Ма-шиностроение,1989, 304 с.
[4] Технологические лазерные комплексы на основе СО2-лазеров и иттербие-вых SLEB лазеров фирмы Trumpf. URL: http://www.ru.trumpf.com (дата обращения 27.09.2012).
[5] Маликов А.Г., Оришич А.М., Шулятьев В.Б. Энергетические характеристики лазерно-кислородной резки стали излучением СО2-лазера. Квантовая электроника, 2012, т. 42, № 7, с. 640-644.
[6] Фомин В.М., Маликов А.Г., Оришич А.М., Шулятьев В.Б. Энергетические условия газолазерной резки толстых стальных листов. Прикладная механика и техническая физика, 2011, т. 52, № 3, с. 16-23.
[7] Morgenthal L. Cutting with Fiber Lasers. 1st Int. Fraunhofer Workshop on Fiber Lasers. Dresden, 2005. URL: ftp://194.87.10.34/.../mor_scheiden_mit faserlasern_02.pdf (дата обращения 3.10.2012).
[8] Большой успех лазерной резки L1XE с волоконным лазером. Металлообработка и станкостроение, 2009, № 4, с. 26-27.
[9] Высокоэффективные волоконные лазеры и усилители компании НТО «ИРЭ-Полюс». URL: http://www.ntoire-polus.ru (дата обращения 27.09.2012).
[10] Технологические станки на основе волоконных лазеров китайской фирмы Wuhan Tiangi Laser Co. URL: http://www.tqlaser.com (дата обращения 27.09.2012).
[11] Витшас А.А., Панченко В.П., Плотников В.М., Самарцев И.Э., Сорока А.М., Чекрыжёв Р.А. Устройство для лазерной резки малоразмерных отверстий произвольной формы в толстых листах высокоотражающих металлов. Пат. № 98963 Российская Федерация, 2010. Кл. МПК-8: В 23 К 26/08.
[12] Царькова О.Г. Оптические и теплофизические свойства металлов, керамик и алмазных пленок при высокотемпературном лазерном нагреве. Тр. ИОФ РАН им. А.М. Прохорова, 2004, т. 60, с. 30-82.
[13] Леонтьев А.И., Исаев С.И., Кожинов И.А., Кофанов В.И., Шишов Е.В., Чукаев А.Г., Петражицкий Г.Б., Никитин В.М., Школа В.В., Миронов Б.В., Хвостов В.И. Теория тепломассообмена. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997, 683 с.
[14] Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. Москва, Наука, 1976, 888 с.
[15] Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Москва, ГИТТЛ, 1957, 784 с.
[16] Гончаров В.К., Козадаев К.В., Попечиц В.И., Пузырев М.В. Исследование воздействия высокоэнергетического излучения на вещество с целью создания новых материалов и технологий. Вестник БГУ. Сер. 1, 2010, № 1, с. 1-10.
[17] Смирнов В.Н. Взаимодействие атомов железа с молекулярным кислородом. Тр. ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН, Москва, 2009, с. 1-23. URL: http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2009-06-08-001.pdf (дата обращения 26.07.2012).
[18] Чернов Ю.Г., Сахаров Б.Б., Гуревич М.И., Веретенов В.Ю. Пакет прикладных программ «Плазма». ИАЭ им. И.В. Курчатова. Препринт. Москва, 1981, № 3522, 50 с.
[19] Шенявская А.Е., Гусаров А.В. Оксид железа. URL: http:// www.chem.msu.su/Zn/Fe/FeO.html (дата обращения 10.12.2012).
Статья поступила в редакцию 19.06.2013
Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом:
Панченко В.П., Сорока А.М., Витшас А.А., Зеленцов А.Г., Менахин В.П., Яксон А.В. Исследование прецизионной резки щелевых отверстий большого калибра в стальных листах излучением одномодового волоконного лазера. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 10. URL: http:// engjournal.ru/catalog/machin/plasma/1031.html
Панченко Виктор Петрович — д-р физ.-мат. наук, профессор, начальник отдела ФГУП ГНЦ РФ «Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований» (ТРИНИТИ). e-mail: panchvictor@gmail.com
Сорока Аркадий Матвеевич — канд. физ.-мат. наук, заместитель директора ООО «Страж-Лазер». e-mail: ark.soroka@yandex.ru
Витшас Александр Анатольевич — генеральный директор ООО «Страж-Лазер». e-mail: boss@s-laser.ru
Зеленцов Александр Георгиевич — инженер ООО «Страж-Лазер». e-mail: zelentsov@s-laser.ru
Менахин Владимир Павлович — инженер ООО «Страж-Лазер». e-mail: menahin@s-laser.ru
Яксон Александр Георгиевич — инженер ООО «Страж-Лазер». e-mail: jackson@s-laser.ru
