автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.07, диссертация на тему:Разработка технологии и оборудования импульсной ..золазерной резки металлов с повышенными требованиями к качеству и точности воспроизведения контура

НКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

РГБ ОД

¿300

КИРИЧЕНКО Виктор Валерьевич

УДК 621.373.826

13РАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ 130ЛАЗЕРН0Й РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ С ПОВЫШЕННЫМИ ТРЕБОВАНИЯМИ К КАЧЕСТВУ И ТОЧНОСТИ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ КОНТУРА.

Специальность 05.03.07 «Техпология и оборудование лазерной обработки»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2000

Работа выполнена в Центре лазерной технологии СПбГТУ.

Научный руководитель - чл.-корр. РАН, профессор В.А. Лопота. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.С.Клубники«, кандидат технических наук, доцент А.Ф.Леонов.

Ведущее предприятие - Институт сварки России.

Защита состоится «_»_2000г. в_часов на заседа!

диссертационного Совета Д.063.38.17 в Санкт-Петербургском Государст ном техническом университете по адресу: 195251, Сакт-Петербург, Поли ническая ул., 29, химический корпус, ауд. 51.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан «__»_2000г.

Ученый секретарь диссертационного

Совета д. т. н., профессор

кьчг.Ъ0

Общая характеристика работы.

Актуальность работы: Резка с применением лазерного излучения и продувом зоны реза газовой струей является одной из самых эффективных технологий с точки зрения производительности и качества обработки материалов. Высокая управляемость как энергетическими параметрами, так и пространственным положением луча, возможность высококонцентрированной фокусировки лазерного излучения, а также бесконтактность воздействия обеспечивают ряд преимуществ газолазерной резки по сравнению с традиционными способами разделения материалов: гибкая перестройка режимов воздействия и как следствие - возможность резки различных материалов; малая ширина реза; производительность процесса и высокое качество вырезаемых деталей, что позволяет в ряде случаев исключить последующую обработку; возможность легкой автоматизации процесса.

Широкое распространение получил процесс газолазерной резки с применением источников лазерного излучения непрерывного действия, однако, как показывают исследования, в ряде случаев использование импульсно-периодического режима позволяет добиться существенных преимуществ по сравнению с газолазерной резкой (ГЛР) непрерывными лазерами: возможность обработки тонких щелей и перемычек без подгара кромок; меньшее гратообразование обработка металлов толщиной до Змм с использованием лазера сравнительно небольшой средней мощности (до 50 Вт); высокое качество реза за счет уменьшения зоны термического влияния; экономичность процесса.

Несмотря на имеющиеся преимущества процесса импульсной газолазерной резки (ИГЛР) широкого внедрения в отечественной промышленности подобное оборудование не получило, что можно связать со спецификой решаемых ИГЛР задач: обработка металлов небольших толщин, невысокая по сравнению с мощными непрерывными лазерами скорость обработки. К общим причинам отсутствия оборудования этого класса также можно отнести: слож-

ность создания качественных источников питания для импульсно-периодических лазеров, сложность оперативного создания интегрированных систем управления процессом. В настоящее время экономичные, недороше, компактные станки для качественной резки металлов небольших толщин являются востребованными как крупными промышленными объединениями, так и в небольшими производственными предприятиями. Область разработки станков этого класса является еще недостаточно исследованной и требует более детального изучения как самого процесса импульсной газолазерной резки, так и выработки методик оценки критериев такой разработки.

Цель работы; 1 разработка технологии и оборудования для импульсной газолазерной резки.

Основные задачи:

■ Исследование особенностей процесса импульсной газолазерной резки металлов небольших толщин.

■ Формирование оценочной методики определения диапазона энергетических параметров импульсов лазерного излучения для эффективной реализации процесса ИГЛР.

■ Разработка макетной установки для экспериментальной проверки полученных результатов и исследования областей применения процесса ИГЛР.

■ Выработка рекомендаций по проектированию, изготовлению и технологиям применения станка для ИГЛР.

■ Исследование применения и перспективы дальнейшей оптимизации оборудования этого типа.

Методы исследования. Сформулированные задачи решены с помощью следующих методов:

^Экспериментальные исследования зоны воздействия лазерного излучения на материал с использованием калориметрирования, фотометрии и обработки видеообразов, математических методов планирования и обработки результатов эксперимента.

-52) Численные и аналитические методы теории тепломассопереноса. 3) Обработка результатов исследований и все вычисления осуществлялись с помощью современных вычислительных средств и технологий.

Научная новизна диссертации;

■ Разработана методика оценки диапазона энергетических параметров лазерного излучения при ИГЛР на основе математического моделирования процесса волнообразования и выноса расплава из зоны реза при импульсной газолазерной резке;

■ Проведены оценки критического слоя расплава с точки зрения выноса под действием реактивной силы отдачи паров металла при воздействии импульсного лазерного излучения высокой плотности мощности и под действием струи режущего газа.

■ Разработана экспериментальная установка для импульсной газолазерной резки металлов небольших толщин (до 1,5 мм).

Основные результаты выносимые на защиту:

■ методика оценки диапазонов энергетических параметров импульса лазерного излучения при ИГЛР с точки зрения формирования волнового процесса выноса расплава из зоны реза;

■ общие принципы построения и схема конструкции установки для импульсной газолазерной резки металлов;

■ результаты экспериментальных исследований в области применения оборудования для ИЛГР;

■ обоснование тенденций дальнейшей оптимизации и развития оборудования с использованием импульсных твердотельных лазеров.

Практическая ценность работы:

■ Проведен анализ современных представлений о физической сущности процесса ИГЛР и принципах построения оборудования с его использованием.

■ Изложена методика оценки диапазонов технологических параметров процесса импульсной газолазерной резки на основании разработанной модели процесса.

■ Разработаны технические требования к оборудованию для ИЛГР, технологические рекомендации для его конструирования, изготовления и применения.

Реализация в промышленности:

Разработана и изготовлена макетная установка для импульсной газолазерной резки металлов толщиной до 1,5мм и точностью обработки контура до 50мкм «Скат-301».

Установка находится в эксплуатации на производстве Центра лазерной технологии СПбГТУ и принята к серийному изготовлению. Апробация работы:

Результаты работы изложены на конференциях «Лазерная технология и средства ее реализации - 97» СПб, 1997г., «Новое в материалах, оборудовании и технологии инструмента» , г. Москва, МХО им. Д.И.Менделеева, 08..10 февраля 2000г. и на научно-практических семинарах Центра лазерной технологии СПбГТУ (1992-1999годы).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано четыре печатные работы, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Содержит 163 страницы машинописного текста, включая 47 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована необходимость исследований в области моделирования процесса импульсной газолазерной резки и дана общая характеристика работы в части постановки целей работы, методов и средств их реализации.

В первой главе проведен анализ современного состояния существующих способов разделения материалов. Показана область эффективного применения газолазерной резки.

Проведен литературный обзор современных научных представлений о физике процесса газолазерной резки и характерных факторах определяющих требуемое качество реза. В числе основных параметров имеющих существенное влияние на режим резки и свойства кромки реза изделия выделены основные: мощность и модовый состав лазерного излучения определяющие интенсивность луча в пятне воздействия q, скорость перемещения изделия относительно источника излучения у, давление вспомогательного газа и его состав определяющие скорость течения потока Уг и, соответственно, кинетическую составляющую процесса выноса расплава из зоны реза, а в случае использования кислорода и экзотермическую долю тепловклада в разрезаемый материал.

Для импульсно-периодического режима воздействия лазерного излучения обоснована необходимость учета плотности мощности в пятне взаимодействия и длительности действия импульса для определения соотношения испарительной и гидродинамической составляющей выноса расплава. Рассмотрены вопросы получения режима управляемой и неуправляемой (автогенной) резки.

Проведена классификация типов лазерных излучателей и аргументирован выбор импульсного твердотельного лазера на кристалле №:УА0г с импульсной оптической ламповой накачкой для задач газолазерной резки металлов

неболыдих (до Змм) толщин с невысоким приоритетом производительности процесса и повышенными требованиями к качеству кромки обрабатываемой детали.

Недостаточность сведений о характере взаимодействия основных энергетических параметров излучения, определяющих подходы к разработке технологического оборудования определили необходимость рассмотрения процесса ИГЛР с точки зрения математической модели процесса выноса расплава из зоны реза.

Вторая глава посвящена вопросам рассмотрения феноменологических моделей процессов проходящих при газолазерной резке материалов, разработке модели учитывающей образование волны расплава под действием проникающей струю вспомогательного газа и смыв-процесс выноса расплава. Проведена оценка энергетических параметров лазерного излучения требуемого для эффективного протекания процесса ИГЛР небольших толщин.

В качестве предельного случая ИЛР по верхнему порогу интенсивности рассмотрена модель испарительной прошивки отверстий в металлах с использованием импульсно-

периодического излучения сформированного с помощью Ш-УАв лазера. ( Рисунок 1 ) Длительность импульса лежит в пределах 0,1 .. 1 мс, частота следования импульсов варьируется от моноимпульса до 100Гц. В режиме свободной генерации плотность мощности излучения может достигать 108 Вт/см2, что позволяет прогревать поверхность металла до температуры кипения в пределах одного такого импульса.

РАСПЛАВ

ИЗЛУЧЕНИЕ:

ДАВЛЕНИЕ ПАРОВ

НИН

Рисупок 1 Схема процесса плавления и выноса расплава под действием реактивной силы отдачи паров.

Оценка величины времени нагрева (т произведена путем решения тепловой задачи нагрева материала потоком излучения с интенсивностью д:

<„ =

Г2ХТ. [Р1

(3.20)

где

Х- температуропроводность, Я - теплопроводность.

Для железа оценка дает величину 1т~1О~10С. Поэтому можно считать, что практически на всем протяжении действия импульса температура поверхности постоянна и равна температуре кипения материала Тк.

Для вытеснения слоя расплава из под луча необходимо выполнение двух условий:

■ импульс давления отдачи должен успевать вытеснить расплав за время его существования, определяемое скоростью теплоотвода;

■ механическая мощность давления отдачи должна превышать мощность, развиваемую вязкими силами при вытеснении расплава.

Для определения этих условий решена задача о выдавливании расплава из мелкой лунки давлением отдачи при испарении с поверхности расплава.

Для мгновенного распределенного источника тепла с учетом нагрева от предыдущих импульсов продвижение температурного фронта вглубь образца:

км)=тк(1 -егг(—р)+г^Е;:,

1 *

ехр(-

4 ЛГИ/,

(1)

где

п - количество предшествующих импульсов,

- время паузы между импульсами, 1Р - длительность импульса. Подставив в уравнение (1) температуру плавления и численно решив его относительно х получим характер продвижения изотермы плавления. Расчеты продвижения фронта плавления вглубь металла приведены на Рисунке 2.

Ре

А1 2

0,15

0,6 0,4 0,2

/И

/

(

О 0,5 1,0 1,5 2,0 Время, мсек

О 0,5 1,0 1,5 2,0 Время, моек

Рисунок 2 Распространение фронта плавления

вглубь металла при ИЛР.

Нижняя кривая - для одного импульса, верхняя - с учетом пяти предыдущих._

тальными данными.

Для мощности вязких сил Ру в расплаве:

На графиках представлены расчетные кривые распространения фронта плавления вглубь материала для Бе и А1. Показано, что для характерной длительности импульса гр=0,5мс глубина образованной лунки составит соответственно 70мкм и ЗООмкм, что хорошо согласуется с эксперимен-

Ру = ¡2лг\(т)

п 4 11

2

ьг

(2)

где

г] - коэффициент вязкости; а - радиус прошиваемого отверстия.

Для мощности сил реактивной отдачи паров металла над поверхностью расплава можно записать:

„ а и

(3)

где

q - плотность мощности поглощенного излучения; с - скорость звука.

Таким образом решение гидродинамической задачи с учетом условия выноса расплава Р,>РУ дает для вытеснения расплава следующую оценку:

ь„>.

V 8Ч<*Р

На рисунке 3 приведены графики распространения фронта плавления и зависимость критической глубины расплава от от длительности импульса.

Таким образом исходя из решения задачи о выносе расплава металла под действием реактивной силы отдачи паров оценка нижнего предела требуемой длительности импульса лазерного излучения состав-

-ЬЛг ткт - йш ткт

Время, Ъ т$

Рисунок 3 Распространение фронта шгавлепия кт н зависимость критической глубины А* расплава от от длительности импульса.

поток яшзв

иипупьсн09ллзтрн0* илпучфни*

мролтщти* луч*

слмнки рис тапщииш слоя росплява

Рисунок 4

Формирование реза при ИГЛР.

ляет /р~20..30мкс.

Во второй части второй главы рассмотрены вопросы оценки энергетических и временных параметров импульса лазерного излучения с точки зрения комплексного решения тепловой и гидрогазодинамической задачи процесса ИГЛР.

На рисунке 4 приведе-

на осциллограмма интенсивности свечения проходящего факела выноса расплава металла и окислов при ИГЛР. Существенно нестационарный характер выноса промоделирован процессом воздействия газовой струи на расплав металла, образование волны и ее смыв.(Рисунок 5).

0,005 0,004 0,003 0,002 0.001 О

-0,001

Рисунок 5 Осциллограмма свечения проходящего факела при ИГЛР.

Энергия в импульсе Е= 500Дж; длительность импульса 1р=600мкс; материал - сталь стЗ, толщиной Н=1.5мм.

Лазерное излучение, падающее на переднюю стенку реза, вместе с теплотой химической реакции горения, разогревает металл на передней стенке, и на ее поверхности образуется пленка расплава. По мере роста слоя расплава под действием потока проходящего газа происходит образование волны и ее смыв.

Для роста слоя расплава на передней стенке реза

х„ =.

Т

Ч

(5)

Для сил действующих на слой расплава условие образования волны:

(6)

где - энергия воздействия потоком газа на поверхность расплава; Е - мощность диссипируемая в расплаве.

поток изв

динамическая мощность струи из»

капиллярны« силы

интенсивность излучения слой расплава

б

иощность диссшп/. рувияя в расплаве

Рисунок 6 Условие образования волны па поверхности слоя расплава.

Выразив энергии кинетики воздействия газовой струи IVчерез плотность р, скорость газа V, толщину металла Я, ширину реза А, (7) а мощность диссипи-руемую в расплав Е через амплитуду волны а и длину волны Л (8).

у

Т 2

ТI к 2

„2 _ т

учитывая, что ш — , где рт - плотность расплава:

,2

т

ш

(9)

Для низкоуглеродистой стали получаем Хтк~10..20 мкм. Характерное время накопления слоя расплава Хт до этой величины из (5) составляет йс/>~30..50 мкс. Это значение принято как уточненный нижний предел длительности импульса лазерного излучения для проектирования оборудования для ИГЛР.

В третьей главе рассмотрены вопросы разработки импульсно - периодического лазера для резки металлов.

Приведен анализ основных критериев выбора компонентов установки для ИЛГР, в том числе:

■ общие требования к технологическим лазерам;

■ принцип работы и обоснование выбора функциональной схемы твердотельного лазерного излучателя;

■ анализ компоновок оборудования для лазерной резки и выбор схемы перемещения луча оптимальной с точки зрения эффективности процесса ИЛГР;

■ оптимизация разработки по факторам влияющим на стабильность и точность обработки при ИЛГР;

■ выбор и оптимизация схемы управления процессом импульсной газолазерной резки;

■ требования безопасности и энергосбережения для технологического оборудования данного класса.

Приведены данные по расходным материалам и срокам жизни отдельных узлов экспериментальной установки, диапазонам регулирования основных технологических параметров лазера и системы перемещения. Даны эксплуатационно-экономические характеристики разработанного оборудования.

Четвертая глава посвящена исследованию и применениям процесса ИГЛР на базе разработанной макетной установки.

Для ряда материалов проведены исследования влияния кислорода на качество резки. Показано, что для сталей это влияние существенно и объясняется появлением в присутствии кислорода жид-котекучих окислов легко выносимых из зоны реза, а также увеличением погло-щательной способностью металлов, что приводит к увеличению производительности процесса и снижению гратообразования. (Рисунок 7).

Проведены экспериментальные исследования по влиянию динамики системы перемещения изделия на качество реза, показано, что изменения кон-

«ЙГ

1а|

Рисунок 7 Влияние кислорода на гратообразование при ИЛГР. Резка с кислородом (слева) и аргоном (справа).

■э.

Рисунок 8 Примеры газолазерпой резки деталей с отрыми углами для ИЛГР (слева) и резки непрерывным излучением (справа).

турной скорости движения луча относительно изделия, вплоть до полной остановки не приводят к нежелательному с точки зрения соблюдения размерных характеристик детали увеличению ширины реза. Это позволяет, в частности, осуществлять прошивку начального отверстия прямо на контуре. Соотношение диаметра прошиваемого отверстия к средней ширине реза для сталей составляет порядка 1,05 „1,10 при ширине реза 150 мкм. Для алюминиевых сплавов и латуни это соотношение больше и его величина находится в диапазоне 1.2 .. 1.5, что требует в ряде применений программирования стартовой точки реза в которой осуществляется прошивка за пределами рабочего контура детали.

Проведен сравнительный анализ геометрии резов с использованием им-пульсно-периодического и непрерывного излучения с точки зрения термического влияния вложешюй погонной энергии. Показано, что применение ИГЛР позволяет проводить раскрой металлических материалов толщиной до 1,5 мм без существенного ухудшения кромки реза для деталей с острыми углами величиной до 15°. СРисунок 8)

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1) Механизм импульсной газолазерной резки (ИЛГР) состоит в формировании волн расплава на поверхности реза под действием струи вспомогательного газа с последующим выносом жидкой фазы.

2) Установлено, что необходимым условием выноса расплава при ИГЛР является превышение мощности передаваемой газовой струей расплаву над мощностью вязких сил.

3) На основании результатов исследования разработана экспериментальная установка, принятая в качестве прототипа к серийному производству, позволяющая производить вырезку изделий, в том числе из цветных металлов, с тонкими перемычками при скоростях до 10 мм/сек и предельной величине угла контура до 15°.

-164) Разработанное оборудование и процессы обеспечивают эффективное применение технологии ИЛГР в изготовлении шаблонов для печатных плат, мастер-моделей и других изделий, когда требуется высокая гибкость оборудования при относительно небольших сериях.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Горный С.Г.. Кириченко В.В.. Jlonoma В.А., Матюшин И.В.. Экономическая оценка эффективности применения для сварки непрерывных и импульсно-периодических лазеров. Ленинград, Материалы научно-практической конференции. 1987, С.109..112.

2. Горный С.Г., Григорьев A.M., Кириченко В.В., Туричин Г.А. Исследование газолазерной резки металлов с целью получения деталей с высокими характеристиками точности воспроизведения контура. СПб,- Издательство СПбГТУ, 1999г.

3. Горный С.Г., Григорьев A.M., Кириченко В.В. др. Промышленное оборудование Центра лазерной технологии для маркировки, гравировки, клеймения и резки металлов. СПб, Издательство СПбГТУ, 2000г.

X) Кириченко В.В. Программный комплекс «БетаСофт». Свидетельство РосАПО об официальной регистрации программы для ЭВМ. №970545 от 24. ЮЛ 997г.