В монографии представлены обобщённые результаты теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия лазерного излучения с металлами при лазерной резке листовых материалов. Внимание уделено построению физико-математических моделей с учётом многообразия теплофизических процессов, главными из которых являются нагрев, плавление и удаление продуктов газовой струёй. Предложена вычислительная технология моделирования пространственных струйных течений рабочего газа, имеющих место при лазерной резке толстолистовых материалов. Представлены оригинальные результаты наблюдения и визуализации процессов внутри лазерного реза в лабораторных условиях. Описаны результаты экспериментальных исследований, выполненных на автоматизированном лазерном технологическом комплексе ИТПМ СО РАН по лазерной резке толстых листов нержавеющей, малоуглеродистой сталей и титана.

Для специалистов в области лазерной обработки конструкционных материалов, а также для аспирантов, магистрантов и студентов университетов.

Использование созданных за последнее время мощных CO₂-лазеров и появление на их основе автоматизированных лазерных технологических комплексов по раскрою различных материалов, в том числе и толстолистовых, поставило ряд новых задач, касающихся качества поверхности реза, скорости и эффективности резки при использовании различных вспомогательных газов. Современные лазеры с высоким уровнем контроля качества излучения позволяют обеспечить высокую точность, локальность действия, необходимую скорость и качество обработки материалов.

Авторы данной работы концентрируют своё внимание на физических процессах лазерного взаимодействия с материалами, понимание роли которых, достигается путём объединения усилий в области математического и численного моделирования, лабораторной физической имитации и проведения полномасштабных натурных экспериментов.

Газолазерная резка — широко распространённая технология лазерного раскроя материалов, теоретическому и экспериментальному исследованию которой посвящено большое количество оригинальных статей и монографий. Существующее в мире оборудование имеет устойчивые режимы лазерной резки только для тонких листовых материалов, которые достаточно хорошо изучены и отработаны, как правило, опытным путём. С появлением более мощных CO₂- и волоконных лазеров возникает острая необходимость в расчётно-экспериментальном исследовании процессов газолазерной резки для целенаправленного выбора характеристик излучения с учётом: толщины и свойств обрабатываемого материала, сопутствующего газа и термодинамических параметров его истечения. Сложность физической картины процесса, а также потребности практики в настоящее время поддерживают высокую активность исследований в этом направлении.

В настоящее время опубликовано несколько монографий, в которых в разной мере обобщены и проанализированы вопросы, связанные с проблемами лазерной резки материалов. Однако многообразие физических процессов и явлений, протекающих при высоких температурах, характерных для лазерной резки, затрудняет экспериментальную отработку рациональных режимов. Удовлетворительное математическое описание процессов, сопровождающих резку металлов, в настоящее время отсутствует. Объясняется это необходимостью включать в рассмотрение большое количество сопряжённых задач механики сплошных сред и физики лазерного излучения, к которым относятся: канально-щелевое струйное течение сопутствующего газа; неустойчивое течение плёнки расплава, образование волн на поверхности, обусловленное силовым воздействием газа; теплоперенос за счёт теплопроводности в твёрдом металле с криволинейной границей фазового перехода; взаимодействие излучения с металлом и его многократное переотражение внутри узкого канала реза; образование грата, борозд шероховатости и т. д. Большое количество определяющих параметров делает затруднительным только эмпирическое решение данной задачи. При резке толстолистовых металлов огромная роль отводится вспомогательному газу, который ответственен за удаление расплава и чистоту лазерного реза.

К числу главных проблем использования мощных лазеров для резки толстолистовых металлов следует отнести следующее. С повышением мощности излучения, вызванного ростом толщины материала, очень трудно обеспечить необходимое качество одномодового излучения. С ростом толщины металла скорость процесса становится недопустимо низкой. Плохое качество поверхности реза, которое связано с рядом причин, характеризуется повышенной шероховатостью и гратом. Всё это дополняется отсутствием достоверных представлений о механизмах появления борозд шероховатости, так как нет развитых методов регистрации и диагностики процессов, протекающих внутри реза.

Вместе с тем, до сих пор уделялось мало внимания исследованию особенностей гидродинамических процессов при изучении взаимодействия лазерного излучения с металлами. Широко распространено недостаточное понимание явлений, в действительности происходящих при лазерной резке толстолистовых металлов. Как известно, роль вспомогательных газов в этом случае заметно повышается. Это связано с необходимостью организации эффективного удаления расплава в глубоком и узком канале реза. Пульсации газа, которые всегда возникают в зоне торможения потока у поверхности листа, переносятся в область внутри реза. Необходимо решать проблему создания устойчивой струи газа, глубоко проникающей через весь лазерный рез. Применяемые до сих пор звуковые сопла с коническими или цилиндрическими выходными насадками создают газовые струи с большими пульсациями давления. В то же время сверхзвуковые сопла могут обеспечить при определённых условиях относительно устойчивое поле течения газа.

Из-за отсутствия развитых методов диагностики и визуализации нет достоверных представлений о процессах, протекающих внутри лазерного реза. Механизмы образования грата и шероховатости, которая имеет бороздчатую структуру, физически недостаточно обоснованы и математически не описаны.

Перечисленные проблемы определили содержание книги…

ВВЕДЕНИЕ

Книги на ту же тему

1. Основы лазерной обработки материалов, Григорьянц А. Г., 1989
2. Действие лазерного излучения на керамические материалы: Научные основы и прикладные задачи, Виноградов Б. А., Харичева Д. Л., Мещерякова Г. П., 2009
3. Действие лазерного излучения на полимерные материалы: Научные основы и прикладные задачи. в 2-х книгах (комплект из 2 книг), Виноградов Б. А., Перепёлкин К. Е., Мещерякова Г. П., 2006
4. Действие лазерного излучения на поглощающие среды, Гарнов С. В., Самохин А. А., ред., 2004
5. Современные лазерно-информационные технологии, Панченко В. Я., Лебедев Ф. В., ред., 2014
6. Углеродная фотоника, Конов В. И., ред., 2017
7. Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия, Кремерс Д., Радзиемски Л., 2009
8. Лазерные материалы: Избранные труды, Осико В. В., 2002
9. Качественные методы в физической кинетике и гидрогазодинамике: Учеб. пособие для физич. спец. вузов, Крайнов В. П., 1989
10. Теория переноса излучения: Статистические и волновые аспекты, Апресян Л. А., Кравцов Ю. А., 1983
11. Взаимодействие лазерного излучения сверхвысокой интенсивности с плазмой, Коробкин В. В., ред., 1995
12. Труды ФИАН; Т. 203. Рентгеновская диагностика лазерной термоядерной плазмы, Склизков Г. В., ред., 1990
13. Исследование гидродинамической неустойчивости в задачах лазерного термоядерного синтеза методами математического моделирования, Лебо И. Г., Тишкин В. Ф., 2006
14. Лазерная физика: рентгеновские лазеры, ультракороткие импульсы, мощные лазерные системы, Боровский А. В., Галкин А. Л., 1996
15. Введение в физику поверхности, Оура К., Лифшиц В. Г., Саранин А. А., Зотов А. В., Катаяма М., 2006
16. Поверхностная индукционная закалка, Вологдин В. П., 1947
17. Разрушение металлов, Ежов А. А., Герасимова Л. П., 2004
18. Газовые лазеры, Мак-Даниель И. У., Нигэн У. Л., ред., 1986