Механическое воздействие газового потока на поверхность стенок канала проплавления при газолазерной резке

Рассмотрены особенности течения вспомогательного газа при газолазерной резке стальных пластин толщиной 10 мм. Установлено, что распределение касательных напряжений на поверхности расплава зависит от положения оси газовой струи относительно входной грани канала проплавления. Показана возможность обес...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автор:	Шуба, И.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2009
Назва видання:	Автоматическая сварка
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100941
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Механическое воздействие газового потока на поверхность стенок канала проплавления при газолазерной резке / И.В. Шуба // Автоматическая сварка. — 2009. — № 10 (678). — С. 16-20. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-100941
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1009412016-05-29T03:03:29Z Механическое воздействие газового потока на поверхность стенок канала проплавления при газолазерной резке Шуба, И.В. Научно-технический раздел Рассмотрены особенности течения вспомогательного газа при газолазерной резке стальных пластин толщиной 10 мм. Установлено, что распределение касательных напряжений на поверхности расплава зависит от положения оси газовой струи относительно входной грани канала проплавления. Показана возможность обеспечения равномерного распределения касательных напряжений на поверхности расплава в широком диапазоне избыточного давления рабочего газа. The paper deals with the features of assist gas flow in gas-laser cutting of 10 mm steel plates. It is established that distribution of tangential stresses on the melt surface depends on the position of the gas jet axis relative to the entrance face of the penetration channel. The possibility of ensuring a uniform distribution of tangential stresses on the melt surface in a broad range of working gas excess pressure is shown. 2009 Article Механическое воздействие газового потока на поверхность стенок канала проплавления при газолазерной резке / И.В. Шуба // Автоматическая сварка. — 2009. — № 10 (678). — С. 16-20. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100941 621.791.945 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Шуба, И.В. Механическое воздействие газового потока на поверхность стенок канала проплавления при газолазерной резке Автоматическая сварка
description	Рассмотрены особенности течения вспомогательного газа при газолазерной резке стальных пластин толщиной 10 мм. Установлено, что распределение касательных напряжений на поверхности расплава зависит от положения оси газовой струи относительно входной грани канала проплавления. Показана возможность обеспечения равномерного распределения касательных напряжений на поверхности расплава в широком диапазоне избыточного давления рабочего газа.
format	Article
author	Шуба, И.В.
author_facet	Шуба, И.В.
author_sort	Шуба, И.В.
title	Механическое воздействие газового потока на поверхность стенок канала проплавления при газолазерной резке
title_short	Механическое воздействие газового потока на поверхность стенок канала проплавления при газолазерной резке
title_full	Механическое воздействие газового потока на поверхность стенок канала проплавления при газолазерной резке
title_fullStr	Механическое воздействие газового потока на поверхность стенок канала проплавления при газолазерной резке
title_full_unstemmed	Механическое воздействие газового потока на поверхность стенок канала проплавления при газолазерной резке
title_sort	механическое воздействие газового потока на поверхность стенок канала проплавления при газолазерной резке
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100941
citation_txt	Механическое воздействие газового потока на поверхность стенок канала проплавления при газолазерной резке / И.В. Шуба // Автоматическая сварка. — 2009. — № 10 (678). — С. 16-20. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT šubaiv mehaničeskoevozdejstviegazovogopotokanapoverhnostʹstenokkanalaproplavleniâprigazolazernojrezke
first_indexed	2025-07-07T09:34:29Z
last_indexed	2025-07-07T09:34:29Z
_version_	1836980235238637568
fulltext	УДК 621.791.945 МЕХАНИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ГАЗОВОГО ПОТОКА НА ПОВЕРХНОСТЬ СТЕНОК КАНАЛА ПРОПЛАВЛЕНИЯ ПРИ ГАЗОЛАЗЕРНОЙ РЕЗКЕ И. В. ШУБА, инж. (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины) Рассмотрены особенности течения вспомогательного газа при газолазерной резке стальных пластин толщиной 10 мм. Установлено, что распределение касательных напряжений на поверхности расплава зависит от положения оси газовой струи относительно входной грани канала проплавления. Показана возможность обеспечения равно- мерного распределения касательных напряжений на поверхности расплава в широком диапазоне избыточного давления рабочего газа. К л ю ч е в ы е с л о в а : газолазерная резка, сталь, газовая струя, избыточное давление, канал проплавления, повер- хность расплава, касательные напряжения В настоящее время в промышленности широко используются технологические процессы, в кото- рых задействовано лазерное излучение, в част- ности, в процессах газолазерной резки (ГЛР) и лазерной сварки. С помощью ГЛР не всегда уда- ется получить изделия, которые могут быть ис- пользованы для последующей сварки в конс- трукции без дополнительной обработки кромок. В связи с этим существует необходимость ми- нимизации или полного исключения факторов, ко- торые приводят к образованию шероховатости на поверхности кромок или отклонению геометрии кромок изделия от заданных размеров. В процессе ГЛР для удаления расплава из зоны обработки используют газовую струю, которую с помощью сопла направляют внутрь канала проплавления (КП) — область, в пределах которой металл на- ходится в жидком состоянии. В результате ме- ханического воздействия газового потока на по- верхности расплава возникает сила, которая преодолевает силы поверхностного натяжения и вязкого трения. При этом масса расплава приоб- ретает ускорение и перемещается в направлении движения газового потока. Таким образом, осу- ществляется процесс удаления металла из зоны обработки и формирование боковой кромки из- делия. Основываясь на данных, приведенных в работах [1–3], можно выделить три группы фак- торов, которые определяют характер протекания процесса ГЛР и конечное качество изделий, по- лученных с помощью этого технологического процесса. Первая группа факторов связана с фи- зическими свойствами обрабатываемого матери- ала и их влиянием на его поведение под воздейс- твием тепловых или механических нагрузок, а также характером протекания химических реак- ций с его участием, вторая — со свойствами ла- зерного излучения, а также с условиями погло- щения излучения в зоне обработки. Третья группа связана со свойствами рабочего газа, характером химического взаимодействия его с обрабатываемым материалом и продуктами его разрушения, а также газодинамическими параметрами в зоне обработки. В настоящее время нет единой теории, которая бы однозначно определяла взаимосвязь между перечис- ленными факторами и конечным качеством изделия. Поэтому целесообразно исследовать отдельные ас- пекты влияния различных технологических факторов на протекание процесса ГЛР. Цель данной работы — поиск газодинамичес- ких условий и факторов, которые отрицательно влияют на эффективность удаления расплава из зоны обработки, а также поиск способов их ус- транения. В рассматриваемом технологическом процессе в области, где происходит интенсивное взаимо- действие газового потока, лазерного излучения и материала, газ движется внутри узкого длинного канала, на передней стенке которого находится слой жидкого расплава (рис. 1). В данной работе © И. В. Шуба, 2009 Рис. 1. Схематическое изображение процесса ГЛР: 1 — сопло; 2 — луч; 3 — газовая струя; 4 — передняя стенка ка- нала проплавления; 5 — боковая стенка канала проп- лавления; 6 — пластина 16 10/2009 рассматривается только механическое взаимо- действие между газом и расплавом, нормальное давление на поверхность раздела фаз определя- ется статическим давлением газа, а касательное — динамическим давлением потока, которое за- висит от скорости газа. При совместном движении газа и жидкости возникает механическое взаимо- действие на границе раздела фаз, приводящее к изменению формы поверхности раздела, а также к образованию и эволюции динамических струк- тур — стационарных или движущихся волн на поверхности расплава [2]. Если допустить, что фа- зовые превращения отсутствуют, то согласно работе [4] можно принять, что в таких условиях на границе раздела фаз совпадают тангенциаль- ные и нормальные составляющие векторов напря- жений и векторов скоростей фаз. Следовательно, если из газодинамического расчета известно рас- пределение касательных и нормальных напряжений на граничных поверхностях расчетной области, то для тех граничных поверхностей расчетной области, которые соприкасаются с поверхностью твердого или жидкого тела, полученные данные можно рассмат- ривать как значения касательных и нормальных нап- ряжений на поверхности этого тела, т. е. в нашем случае на поверхности стенок КП. Для исследования газодинамических аспектов процесса ГЛР с помощью пакета геометрического моделирования Rhinoceros [5] были созданы две расчетные области, форма которых соответствует расположению сопла газолазерного резака на рас- стоянии 1 мм от поверхности пластины толщиной 10 мм, имеющей сквозной плоский щелевой канал шириной 0,4 мм с параллельными стенками (рис. 2). Длина участка соплового канала 30 мм. Профиль соплового участка — конический с ци- линдрическим выходным участком длиной 1 мм, угол между стенками 30°. Диаметр выходного от- верстия сопла 1,2 мм, длина канала проплавления (толщина пластины) 10 мм. Граничная поверх- ность, которая представляла собой переднюю стенку КП, была смоделирована как боковая по- верхность цилиндра, рассеченного пополам вдоль оси. Предполагалось, что положение этой гранич- ной поверхности относительно оси сопла соот- ветствует эффективному радиусу лазерного пуч- ка, который в обоих случаях равен 0,2 мм. Первая расчетная область соответствует типичному спо- собу установки оси сопла относительно оси ла- зерного пучка, при котором их располагают вдоль одной линии для обеспечения равных условий поступления тепловой энергии излучения в объем материала при изменении направления перемеще- ния во время обработки (положение А). Для такой схемы расположения расстояние между передней стенкой канала проплавления и осью сопла сос- тавило 0,2 мм. Вторая расчетная область соот- ветствует расположению оси лазерного пучка со смещением 0,15 мм относительно оси сопла в направлении движения лазерного резака (поло- жение Б), поэтому расстояние между передней стенкой канала проплавления и осью сопла сос- тавляло 0,35 мм. Для всех граничных поверхнос- тей расчетной области, которые представляли со- бой твердые стенки, скорость газа во всех узлах расчетной области, принадлежащих этим повер- хностям была задана равной нулю (рис. 2, поз. 3–5, 7). Разбиение расчетной области на конечные элементы, задание граничных условий и расчет рас- пределения газодинамических параметров проводи- ли с помощью коммерческого пакета конечно-эле- ментного моделирования Ansys CFX. После этого проводили численные расчеты распределения па- раметров газового потока для обеих схем подачи рабочего газа в зону обработки: без смещения оси сопла относительно оси луча и со смещением. Для каждой схемы проведена серия из пяти расчетов при значениях скорости потока на входе (рис. 2, поз. 2) в расчетную область от 1 до 5 м/с. Для обоих расчетов не учитывались тепловые эффекты, только газодинамические. Не учитыва- лось поведение расплава как упругой структуры под воздействием теплового потока, поэтому не заданы и не определены в процессе расчета его свойства и характеристики. Характер воздействия газового потока на поверхность расплава опре- деляли косвенно по значению таких параметров, как касательные напряжения на поверхности стен- ки КП и скорость газа на расстоянии 0,05 мм от поверхности стенок КП. Свойства материала рас- четной области соответствовали свойствам воз- духа при нормальных условиях. Для получения данных, позволяющих косвенно оценить эффективность использования струи в ка- честве фактора, который воздействует на поверх- ность расплава в обоих вариантах расположения оси струи относительно входной грани КП, пост- Рис. 2. Схематическое изображение расчетной области: 1, 6 — поверхности, через которые газ поступает в окружаю- щую атмосферу; 2 — вход в сопловой канал резака; 3 — внешняя поверхность соплового канала; 4 — верхняя и нижняя поверхность разрезаемой пластины; 5 — передняя стенка щелевого канала в пластине; 7 — боковые стенки плоского щелевого канала в пластине 10/2009 17 роена линия, расположенная вдоль поверхности передней стенки КП (рис. 3, поз. 3). Затем для точек этой линии получены значения касательных напряжений и значения скорости газа в погранич- ном слое на расстоянии 0,05 мм от стенки. В ка- честве примера на рис. 4 приведены изолинии распределения скорости внутри расчетной области для обоих положений и соответствующие им графики распределения касательного напря- жения вдоль передней стенки КП для значения скорости газа на входе в сопловый канал – 5 м/с (соответствует давлению 7,2 атм рабочего газа в ресивере). После этого построены графики распределения касательного напряжения на поверхности перед- ней стенки КП и распределения скорости в пог- раничном слое вдоль всего канала для каждого расчетного значения скорости на входе в сопловой канал (рис. 5, 6). С точки зрения технолога или оператора лазерной установки избыточное давле- ние внутри соплового канала является более ин- формативным параметром технологического про- цесса, чем скорость на входе в сопло, так как этот параметр процесса можно легко контроли- ровать (измерять) и регулировать (изменять), по- этому на графиках (рис. 5, 6) номера кривых рас- пределения касательных напряжений и скорости Рис. 3. Поперечное сечение расчетной области: 1 — сопло; 2 — ось симметрии сопла; 3, 4 — соответственно передняя и боковая стенка канала проплавления; L — расстояние между осью симметрии сопла и передней стенкой канала проплав- ления Рис. 4. Распределение скорости потока внутри канала проплавления при скорости газа на входе в сопловой канал 5 м/с для положения А (без смещения) (а), Б (со смещением) (в) и соответствующее этим условиям распределение касательных напряжений на передней стенке канала проплавления (б, г) 18 10/2009 вдоль КП соответствуют расчетным значениям давления внутри соплового канала (таблица). Результаты расчетов позволили выявить глав- ное отличие между течением газа внутри канала в пластине в положении А и в положении Б. От- клонение струи при натекании на входную грань КП приводит к отрыву пограничного слоя от пе- редней стенки КП и образованию застойного учас- тка, в котором возникает вихревое течение. Срав- нивая картины распределения скорости внутри КП (рис. 6) и соответствующие графики распре- деления касательного напряжения на передней стенке КП вдоль канала (рис. 5), можно видеть, что в положении А, когда поток струи значительно отклоняется на входе в канал, касательные напря- жения на передней стенке канала несколько раз ме- няют знак. В положении Б, напротив, значение ка- сательных напряжений в целом нарастает вниз по потоку и не меняет знак при всех значениях из- быточного давления в сопловом канале. Причиной таких различий в распределении па- раметров для каждого из положений является то, что в первом случае часть газового потока, по- падая внутрь канала, значительно отклоняется от прямолинейного движения при взаимодействии с входной гранью КП. В результате возникновения вихревой области значительная часть газового по- тока внутри канала не соприкасается с передней стенкой канала и не обеспечивает механическое воздействие на поверхность стенок в направлении выхода из канала для удаления расплава из зоны обработки. Это предположение подтверждается картинами линий тока, которые построены для обо- их положений оси сопла относительно передней стенки КП при избыточном давлении соплового потока в сопловом канале 260 кПа и показаны на рис. 7. Видно, что в положении А (рис. 7, а) вих- ревая область занимает значительный объем внутри Расчетные значения избыточного давления внутри соп- лового канала при различных значениях скорости газа на входе в сопловой канал Номер расчета Скорость на входе в сопловой канал vвх, м/с Давление в сопловом канале Pресивер, Па Положение А (L = 0,1 мм) 1 1 30000 2 2 117500 3 3 260000 4 4 460000 5 5 725000 Положение Б (L = 0,35 мм) 6 1 30000 7 2 116000 8 3 260000 9 4 460000 10 5 714000 Рис. 5. Распределение z-компоненты касательных напря- жений на передней стенке канала проплавления при различ- ных значениях избыточного давления в ресивере для положения А (а) и Б (б): 1 — 30; 2 — 117 (а), 116 (б); 3 — 260; 4 — 460; 5 — 725 (а); 714 кПа (б) Рис. 6. Распределение z-компоненты на передней стенке ка- нала проплавления при различных значениях избыточного давления в ресивере для положения А (а) и Б (б): 1 — 30; 2 — 117 (а), 116 (б); 3 — 260; 4 — 460; 5 — 725 кПа 10/2009 19 канала и препятствует воздействию основного по- тока на поверхность передней стенки КП в от- личие от положения Б (рис. 7, б). Сравнивая гра- фики распределения касательного напряжения и скорости около стенки для всех начальных условий (см. рис. 5, 6), видно, что для расчетной области в положении А тенденция к проявлению эффекта отрыва потока от поверхности канала с образо- ванием вихревого течения около стенки прояв- ляется для всех, даже самых низких значений из- быточного давления внутри соплового канала, в то время как для расчетной области в положении Б заметны только локальные скачки в распреде- лении полученных газодинамических параметров вдоль всей поверхности передней стенки канала проплавления. Таким образом, для типичной схемы распо- ложения оси сопла относительно оси лазерного пучка возникают условия, при которых силы, действующие на поверхность стенок канала проп- лавления, на некоторых участках канала действу- ют в противоположных направлениях, что сви- детельствует о дестабилизирующем воздействии на течение расплава со стороны газового потока. Сравнивая графики распределения касательных напряжений и скорости для двух схем подачи газа в зону обработки при одинаковых начальных ус- ловиях, можно видеть, что существует возмож- ность такого распределения касательных напря- жений вдоль канала, при котором обеспечивается однонаправленное действие механических сил со стороны газового потока на поверхность расплава. Для этого, например, можно сместить ось сим- метрии сопла по отношению к передней стенке канала проплавления таким образом, чтобы га- зовая струя при попадании внутрь канала как можно меньше отклонялась от прямолинейного направле- ния течения. Таким образом, снижается вероятность образования застойных участков внутри канала и условия образования вихревого течения, которое негативно сказывается на равномерности распре- деления касательных напряжений на поверхности расплава. По нашему мнению, на практике это дол- жно оказывать положительное влияние на стаби- лизацию течения расплава и приводить к улучше- нию геометрических характеристик боковой кром- ки изделий, полученных с помощью ГЛР. Таким образом, взаимное расположение оси соп- ла и оси лазерного пучка, определяющего поло- жение передней стенки канала проплавления, в процессе резки оказывает значительное влияние на распределение касательных напряжений на повер- хности стенок канала проплавления, и может быть использовано как технологический параметр, уп- равляющий течением расплава в процессе ГЛР для повышения качества вырезаемого изделия. 1. Steen W. М., Kamalu J. N. Laser cutting. — London Imperi- al College of Science and Technology, 1983. — 201 р. 2. Голубев В. С. Анализ моделей динамики глубокого проп- лавления материалов лазерным излучением: Сб. тр. ИПЛИТ РАН / Под ред. В. Я. Панченко и В. С. Голубева. — М.: Интерконтакт Наука, 2005. — С. 199–216. 3. Григорьянц А. Г., Соколов А. А. Лазерная резка металлов. Сер. Лазерная техника и технология: В 7 кн. — Кн. 7. — М.: Высш. шк., 1988. — 127 с. 4. Кутателадзе С. С., Накоряков В. Е. Тепломассобмен и волны в газожидкостных системах. — Новосибирск: На- ука, 1984. — 302 с. 5. http://www.rhino3d.com The paper deals with the features of gas flow in laser cutting of 10 mm plates. It is established that distribution of tangential stresses on the melt surface depends on the relative position of the nozzle axis and front wall of the penetration channel. The possibility of ensuring a uniform distribution of tangential stresses on the melt surface in a broad range of working gas excess pressure is shown. Поступила в редакцию 26.01.2009 Рис. 7. Линии тока для положения оси сопла без смещения положение А (а) и со смещением Б (б) относительно передней стенки канала проплавления при избыточном давлении рабо- чего газа внутри резака 260 кПа 20 10/2009

Механическое воздействие газового потока на поверхность стенок канала проплавления при газолазерной резке

Репозитарії

Схожі ресурси