Закономірності впливу конструкції сопла та технологічних параметрів газолазерного різання на тиск гальмування асистуючого газу
Анотація
В роботі запропонована та реалізована методика експериментального вимірювання розмірів зони дії та величини тиску, який забезпечує видалення рідкої фази при газолазерному різанні і створюється потоком асистуючого газу на поверхні деталі. При проведенні досліджень на базі серійного верстата LTS-PRO-6000-1530-LD фірми Араміс в оптичній головці верстата встановлювалися серійні сопла (одноканальне та двоканальне) компанії Thermacut з вихідним діаметром 1,5 мм. В експериментах як асистуючий газ використовували повітря з манометричним тиском на вході в сопло 0,5 МПа та 1 МПа. Встановлено закономірності впливу конструкції сопла, зазору між соплом і деталлю та манометричного тиску на вході в сопло на зміни діаметра надзвукового струменя асистуючого газу та величину тиску, який він створює при гальмуванні на поверхні деталі, за технологічних умов газолазерного різання. Отриманий масив експериментальних даних показав, що традиційний підхід до використання існуючого спектра серійних сопел робить проблематичним ефективне проєктування процесів газолазерного різання максимальної продуктивності та відтворюваності якості різу. Це пов’язано зі складними явищами в надзвуковому струмені, які визначають високу чутливість величини тиску на поверхні деталі до змін геометрії сопла та технологічних параметрів процесу. В результаті немає розуміння, яку саме величину тиску створює струмінь асистуючого газу в зоні різання за тих чи інших технологічних параметрів процесу. Запропонована в роботі методика дозволяє відносно просто створити «паспорти» сопел, якими комплектується кожний верстат. Таким чином стає можливим урахування реальної величини поля асистуючого тиску в зоні різання при проєктуванні конкретного технологічного процесу. Відповідно, надійніше забезпечується продуктивне високоякісне різання на цій технологічній установці та покращується рівень відтворюваності процесу. Експериментальна верифікація продемонструвала досить добру кореляцію між локальним тиском гальмування асистуючого газового струменя та максимальною швидкістю лазерного різання і якістю різу
Ключові слова
газолазерне різання; асистуючий газ; сопло; надзвуковий струмінь; оптоволоконний лазер
Використані джерела
[1] Borkmann, M., & Mahrle, A. (2021). Numerical analysis of the primary gas boundary layer flow structure in laser fusion cutting in context to the striation characteristics of cut edges. Fluids, 7(1), 17.
[2] Chen, K., Yao, Y.L., & Modi, V. (2001). Gas dynamic effects on laser cut quality. Journal of manufacturing processes, 3(1), 38-49.
[3] Darwish, M., Orazi, L., & Angeli, D. (2019). Simulation and analysis of the jet flow patterns from supersonic nozzles of laser cutting using OpenFOAM. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 102, 3229-3242.
[4] Fieret, J., Terry, M.J., & Ward, B.A. (1987, Sept.). Invited paper overview of flow dynamics in gas-assisted laser cutting. In High Power Lasers: Sources, Laser-Material Interactions, High Excitations, and Fast Dynamics, 801, 243-250. SPIE.
[5] Halm, U., Nießen, M., & Schulz, W. (2021). Simulation of melt film dynamics in laser fusion cutting using a boundary layer approximation. International Journal of Heat and Mass Transfer, 168, 120837.
[6] Miller, D.R. (1988). Free jet sources. In Atomic and Molecular Beam Methods (ed. G. Scoles), I, 14-53. Oxford University Press.
[7] Olsen, F. (2006, Oct.). An evaluation of the cutting potential of different types of high power lasers. In International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (p. 401), 2006(1), Laser Institute of America.
[8] Pocorni, J., Powell, J., Deichsel, E., Frostevarg, J., & Kaplan, A.F. (2017). Fibre laser cutting stainless steel: Fluid dynamics and cut front morphology. Optics & Laser Technology, 87, 87-93.
[9] Qin, T., Zhong, Z., Jiao, H., Zhou, L., Huang, Y., & Long, Y. (2022). Experimental study on gas-assisted laser cutting carbon fiber reinforced plastics. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 119(9-10), 6361-6370.
[10] Riveiro, A., Quintero, F., Boutinguiza, M., Del Val, J., Comesaña, R., Lusquiños, F., & Pou, J. (2019). Laser cutting: A review on the influence of assist gas. Materials, 12(1), 157.
[11] Ullah, S., Li, X., Guo, G., Rodríguez, A.R., Li, D., Du, J., ... & Wei, L. (2022). Energy efficiency and cut-quality improvement during fiber laser cutting of aluminum alloy in the different hardened conditions. Materials Today Communications, 33, 104236.
[12] Wen, P., Zhang, C., Yuan, Y., Fan, X. (2016). Evaluation and optimal design of supersonic nozzle for laser-assisted oxygen cutting of thick steel sections. Int J Adv. Manuf. Technol., 86(5-8), 1243-1251.
[13] Yagi, A., Kadonaga, S., Okamoto, Y., Ishiguro, H., Ito, R., Sugiyama, A., ... & Okada, A. (2021). Fundamental study on reduction of dross in fiber laser cutting of steel by shifting nozzle axis. Journal of Laser Applications, 33(1).
[14] Zhang, Z., & Gogos, G. (2004). Theory of shock wave propagation during laser ablation. Physical Review B, 69(23), 235403.
[15] Zhou, Y., Kong, J., & Zhang, J. (2016). Study on the role of supersonic nozzle in fiber laser cutting of stainless steel. Materials Sciences and Applications, 8(1), 85-93