Экспериментальное моделирование динамики струйных течений газа и механизмов удаления расплава при газолазерной резке металлов
Диссертация
С появлением все более мощных лазеров и разработкой на их основе лазерных технологических комплексов возникает необходимость в расчетно-экспериментальных исследованиях процессов, сопровождающих лазерную резку. При лазерной резке металл плавится в пределах пятна излучения и удаляется струей вспомогательного газа сквозь образующийся разрез. Качество резки листовых материалов характеризуется шириной… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Анализ физических процессов, сопровождающих лазерную резку металлов, методы их экспериментального моделирования и 13 регистрации
- 1. 1. Газолазерная резка металлов: основные технические достижения на сегодняшний день
- 1. 2. Обзор физических процессов, сопровождающих газолазерную резку листовых материалов, оценка основных параметров
- 1. 3. Анализ состояния исследований
- 1. 4. Анализ существующих методов диагностики и визуализации, применимых к лазерной резке металлов
- Выводы к главе 1
- Глава 2. Экспериментальные исследования особенностей течения вспомагательного газа в каналах, геометрически подобных 49 лазерному резу
- 2. 1. Постановка задачи, методика моделирования и визуализации
- 2. 2. Исследование сверхзвуковых течений в узких каналах применительно к резке с инертным газом
- 2. 3. Исследование дозвуковых течений в узких каналах применительно к резке с кислородом
- Выводы к главе 2
- Глава 3. Визуализация процессов лазерной резки на модельной — установке, с использованием легкоплавких материалов
- 3. 1. Модельная установка, анализ критериев подобия
- 3. 2. Процессы плавления, течения и разрушения пленки расплава парафина в условиях взаимодействия со струей подогретого воздуха 86 внутри плоского канала
- 3. 3. Визуализация процессов внутри лазерного реза с использованием легкоплавкого сплава Розе
- 3. 4. Модели образования бороздчатой шероховатости при кристаллизации расплава
- Выводы к главе 3
Список литературы
- http://www.technolaser.ru/russian/album cut. htm
- O’Neill W., Gabzdyl J.T. New developments in laser-assisted oxygen cutting// Optics and Lasers in Engineering // 2000. Vol. 34. pp. 355−367.
- Зайцев A.B., Ковалев О. Б., Маликов А. Г., Оришич A.M., Шулятьев В. Б. Лазерная резка толстых стальных листов при использовании сверзвуковой сгруи кислорода // Квантовая электроника. 2007.Т. 37, № 6. С 891- 892.
- Афонин Ю.В., Голышев А. П., Иванченко А. И., Малов А. Н., Оришич A.M., Печурин В. А., Филев В. Ф., Шулятьев В. Б. Генерация излучения с качеством ТЕМоо моды в непрерывном СОг- лазере мощностью 8 кВт. // Квантовая электроника. 2004. Т. 31, No 4. С.307−310.
- Макашов Н.К., Асмолов Е. С., Блинков В. В. и др. Газогидродинамика резки металлов непрерывным лазерным излучением в инертном газе. // Квантовая электроника. 1992. Т. 19, № 9. С. 910−915.
- Ковалев О.Б., Оришич A.M., Фомин В. М., Шулятьев В. Б. Сопряженные задачи механики сплошных сред в процессах газолазерной резки металлов // ПМТФ. 2001. Т.42, № 6. С. 106−116.
- Голубев B.C. О механизмах удаления расплава при газолазерной резке материалов // Е-принт ИПЛИТ РАН, № 3, 2004
- Aldo V. La Rocca // Proc. SPIE, 1993. Vol. 2097, pp. 100−111.
- Shang-Liang Chen, W. O’Neill The effects of power rippling on C02 laser cutting // Optics and Lasers technology 29 № 3 (1997) pp. 125−134.
- Schulz W., Kostrykin V., Zefferer H., Petring D., Poprawe R.. A free boundary problem related to laser beam fusion cutting: ODE approximation. // Int. J of Heat and mass transfer. 40 (1997) No. 12, pp. 2913−2928.
- Schulz W., Kostrykin V., Nieben M., Michel J., Petring D., Kreutz E.W. and Poprawe R. Dynamics of ripple formation and melt flow in laser beam cutting // J. Phys. D: Appl. Phys. 32 (1999) pp. 1219−1228.
- Vicanek M. and Simon G., Momentum and heat transfer of inert gas jet to the melt in laser cutting // J. Phys. D: Appl. Phys. 20 (1987) 1191−1196. UK
- Vicanek M., Simon G., Urbassek H.M. and Decker I. Hydrodynamic instability of melt flow in laser cutting // J. Phys. D: Appl. Phys. 20 (1987) pp. 140−145.
- Ming Jye Tsai and Cheng-1 Weng Linear stability analysis of molten flow in laser cutting // J. Phys. D Appl. Phys. 26 (1993) pp. 719−727.
- Lawrence Y., Yao-Hongqiang Chen-Wenwu Zhang. Time scale effects in laser material removal: a review // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 26 (2005). P 598 608.
- Tani G., tonissani L., Campana G., Prediction of melt geometry in laser cutting,// Applied surface science V 208−209(2003), pp. 142−147.
- Tani G., Tomesani L., Campana G., Fortunato A. Quality factors assessed by analytical modelling in laser cutting Thin Solid Films // Applied surface science 453−454(2004) pp. 486−491.
- Лойцянский JI. Г. Механика жидкости и газа. // М: Наука, 1978.
- Прохоров A.M., Кононов В. И., Урсу И., Михэилеску И. Н. Взаимодействие лазерного излучения с металлами. // М: Наука, 1988.
- O’Neill W and Steen W М. A three-dimensional analysis of gas entrainment operating during the laser-cutting process // Journal Physics D: Applied Physics. 28 (1995), pp. 12−18.
- Kai Chen, Y. Lawrence Yao and Vijay Modi., Numerical simulation of oxidation effect in the laser cutting process// The International Journal of Advanced Manufacturing and Technology, 15 (1999), pp. 835−842.
- Ivarson, Powell J.,. Kamalu J and Magnusson C. The oxidation dynamics of laser cutting of mild steel and the generation of striations on the cut edge // Journal of Materials Processing Technology, 40 (1994) pp. 359−374.
- Hsu M. J., Molian P.A. Off-axial, gas-jet assisted, laser cutting of 6.35-mm thick stainless steel // Transactions of ASME V 117 may 1995 pp. 272−276.
- Ermolaev G.V., Kovalev O.B., Orishich A.M. and Fomin V.M. Mathematical modelling of striation formation in oxygen laser cutting of mild steel // J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) pp. 4236^4244
- Steen W. M. Laser Material Processing // Third Edition, L.: Springer, 2003.
- Pawell J. CO2-laser cutting. // L.: Springer-Verlag, 1998.
- Ready J.F., Farson D.F. LIA Handbook of Laser Materials Processing // Laser Institute of America, LIA, 2001.
- Веденов A.A., Гладуш Г. Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов.//М.: Энергоатомиздат, 1985.
- Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов.// М.: Машиностроение, 1988.
- Голубев B.C. Лазерные макротехнологии: современное состояние и тенденции развития//Перспективные материалы. 2005, № 1. С. 5−12.
- Базылева И.О., Галушкин М. Г., Голубев B.C., Дубровина Е. А., Карасев В. А. Термические потери в процессе газолазерной резки металлов // Сборник трудов ИПЛИТ РАН. Издательство ИПЛИТ РАН, 2005.
- Gross M.S., Black I. and Muller W.H. Computer simulation of the processing of engineering materials with lasers—theory and first applications // J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) pp. 929−938.
- Gross M.S., Black I. and Muller W.H. Determination of the lower complexity limit for laser cut quality modeling// Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 12 (2004) pp. 1237−1249.
- Gross M.S. On gas dynamic effects in the modeling of laser cutting processes // Applied Mathematical Modelling. 30 (2006) P 307 318.
- Нестеров A.B., Низьев В. Г. Особенности резки металлов лазерным лучом с осесимметричной поляризацией// Изв. РАН. Сер. Физ. 1999. Т. 63, № 10. С. 2039−2046.
- Nesterov A.V. and Niziev V.G. Propagation features of beams with axially symmetric polarization // J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt. 3 (2001) S215-S219.
- Niziev V.G. and Nesterov A.V. Influence of beam polarization on laser cutting efficiency // J. Phys. D: Appl. Phys. 32 (1999) pp. 1455−1461.
- Nesterov A.V. and Niziev V.G. Laser beams with axially symmetric Polarization // J. Phys. D: Appl. Phys. 33 (2000) pp. 1817−1822.
- Nesterov A.V., Niziev V.G. and Yakunin V.P. Generation of high-power radially polarized beam // J. Phys. D: Appl. Phys. 32 (1999) pp. 2871−2875.
- Chun-Hui Niu, Ben-Yuan Gu, Bi-Zhen Dong and Yan Zhang. A new method for generating axially-symmetric and radially-polarized beams // J. Phys. D: Appl. Phys. 38 (2005) pp. 827−832.
- Черепанов Г. П., Черепанов А. Г. О форме и глубине реза лазерным лучом // Физика и химия обработки материалов. 1990. № 2. С. 133−137.ч
- Schulz W., Simon G., Urbassek H. M. and Decker I. On laser fusion cutting of metals // J. Phys. D: Appl. Phys. 20 (1987) pp. 481−488.
- Minna Valkamma, Steen Erik Nielsen. Dual-focus laser cutting of mild steel, norlas transactions. // Welding in the World, March-April 2002, V. 46, No. ¾, pp. 33−40.
- P. A. Molian Dual-beam C02 laser cutting of thick metallic materials // Journal of material science (28) 1993, pp. 1738−1748.
- H.C. Man, J. Duan, T.M. Yue. Dynamic characteristics of gas jets from subsonic and supersonic nozzles for high pressure gas laser cutting // Optics & Laser Technology 30 (1998), pp. 497−509.
- Man H C, Duan J, and Yue T M. Analysis of the dynamic characteristics of gas flow inside a laser cut kerf under high cut-assist gas pressure //J. Phys. D: Appl. Phys. 32(1999), pp. 1469−77.
- Duan J., Man H.C. and Yue T.M. Modeling the laser fusion cutting process: II. Distribution of supersonic gas flow field inside the cut ker’f //J. Phys. D: Appl. Phys. 34(2001), pp. 2135−2142.
- Duan J., Man H.C. and Yue T.M. Modeling the laser fusion cutting process: III. Effects of various process parameters on cut kerf quality// J. Phys. D: Appl. Phys. 34 (2001), pp. 2143−2150.
- Kai Chen, Y. Lawrence Yao, Vijay Modi Gas Jet-Workpiece Interactions in Laser Machining // Journal of Manufacturing Science and Engineering. AUGUST 122 (2000) pp. 429−438.
- Kai Chen, Y. Lawrence Yao, Vijay Modi Gas dynamics effects on laser cut quality // Journal of manufacturing processes. 3 (2001) № 1, pp. 38−49.
- Ching-Chuan Mai, Jehnming Lin. Flow structures around an inclined substrate subjected to a supersonic impinging jet in laser cutting // Optics & Laser Technology 34 (2002), pp. 479 486.
- Ching-Chuan Mai, Jehnming Lin. Supersonic flow characteristics in laser grooving// Optics & Laser Technology 35 (2003) pp. 597 604.
- Патель P.C., Брюстер M.K. Лазерное сверление металлов в газовой струе. Экспериментальные результаты // Аэрокосмическая техника. 1991. № 11, с 3−10.
- Патель Р.С., Брюстер М. К. Лазерное сверление металлов в газовой струе. Теоретическая модель // Аэрокосмическая техника 1991. № 11, с. 11 20.
- Lee Mein Wee, Lin Li. An analytical model for striation formation in laser cutting // Applied Surface Science, 247 (2005). P. 277 284.
- Black I. A Comparison of Severance Energies for Reactive C02 Laser Cutting of Mild Steel // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 15 (1999), pp. 832−834.
- Lamikiz A., Lopez de Lacalle L.N., Sanchez J.A., del Pozo D., Etayo J.M., Lopez J.M. C02 laser cutting of advanced high strength steels (AHSS) Applied Surface Science 242 (2005) pp. 362−368.
- Dilthey U., Faerber M., Weick J. Laser cutting of steel-cut quality depending on cutting parameter. // Weld. World, 1992, 30(9−10), pp 275−278.
- Lepore M., Dell’Erba M., Esposito C., Daurelio G. and Cingolani A. An investigation of the laser cutting process with the aid of a plane polarized C02 laser beam // Optics and Lasers in Engineering Volume 4, Issue 4, 1983, pp. 241−251.
- Schulz W., Beckert D., Franket J., Kemmerlingt R. and Herzigerz G. Heat conduction losses in laser cutting of metals // J. Phys. D: Appl. Phys. 26 (1993) pp. 1357−1363.
- Arata Y., Maruo H., Miyamoto I., Takeuchi S. Dynamic Behaviour in Laser Gas Cutting of Mild Steel. // Trans. JWRI (1979) Part 2, 15−26.
- Zefferer H., Petring D., Schulz W., Schneider F., Herziger G. Laser beam diagnostics and Modelling of Melt Drag and Ripple formation. // Proc. 11th int’l Congress «Laser in Engineering» (1993). Springer-Verlag, Berlin.
- Grop A., Hutfless J., Schuberth S., Geiger M. (1995) Laser beam cutting. Journal of Optical and Quantum Electronics 27, 1257−1271.
- Katayama S. Visualization of Molten Pool Phenomena during TIG or Laser Welding with Micro-Focused X-Ray Transmission In-Situ Imaging Technique. // of the National Meeting of JWS, Forum, Vol. 75, (2004, Sept.), pp. F-15-F-19. (in Japanese).
- Chen L.S. In-process monitoring of the cutting front of CO2 laser cutting with off-axis optical fibre. // Int. J. Adv. Manuf. Tech. 13 (1997), No. 10, pp. 685−691.
- Grum J., Кек Т., Slabe J.M. Possibility of On-Line Monitoring of Laser Cutting of Deep-Drawn Sheet Parts by Measuring Acoustic Emission. // Proc. of ECNDT 2006, pp. 323 333
- De Keuster J., Duflou J. R. & Kruth J.P. Monitoring of high-power C02 laser cutting by means of an acoustic microphone and photodiodes. // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 35 (2007), pp. 115−126.
- Hansmann M. et al. On-line control of the laser cutting process by monitoring the shower of sports // Power Beam Technology, 1986.
- Doubenskaya M., Bertrand Ph., Smurov I. Optical monitoring of Nd: YAG laser cladding // Thin Solid Films, 453−454C (2003), pp. 477−485.
- Ignatiev M., Smurov I., Flamant G. Real-time optical pyrometry in laser machining// Meas. Sci. Technol. 5 (1994) pp 563−573.
- Miyamoto I., Maruo H., and Arata Y. Intensity Profile Measurement of Focused C02 Laser Beam Using PMMA // Proc. of ICALEO (1984) pp. 313−319.
- Чаплиц А.Д., Астапов А. И. Визуализация газовых потоков во внутренних каналах. // Днепропетровск. 2007, 210с.
- Djachenko A. Yu. Oil-black visualization of the flow in the caverns of different forms // The NSTU proceeding, 2000. No. 3 (20). P. 46−52.
- Бойко В. M., Оришич А. М., Павлов А. А., Пикалов В. В. Теоретические основы и методы оптической диагностики в аэрофизическом эксперименте: Учеб. пособие // Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2008. 412 с.
- Павлов А.А. Интерферометр для панорамных измерений скорости и его варианты. Авторское свидетельство N 1 304 565, 1986.
- Бродецкий М.Д., Никифоров С. Б., Павлов А. А., Шевченко A.M. Развитие метода лазерного ножа для сверхзвуковых аэродинамических труб. // «Теплофизика и аэромеханика», 2000, т. 7, № 3 стр. 375−380.
- Raffel. М., Willert С., Wereley S., Kompenhans J. Particle Image Velocimetry. A practical guide. // (2007) Second edition, Berlin. Springer.
- Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б. С. Методы лазерной доплеровской анемометрии. // М.: Наука, 1982. 304 с.
- Первушин Г. Е., Невский Л. Б., Ардашева М. М. Авторское свидетельство № 1 065 452 СССР, МКИ5 С 01 Р 5/20. Состав для индикаторного покрытия. 1984.
- Лыков А.В. Тепломассообмен: (справочник) // М: Энергия, 1978.89. http://www.rit.edu/~andpph/text-schlieren.html
- Zaitsev A.V., Kovalev O.B., Yudin P.V. Formation of a vortex flow at the laser cutting of sheet metal with low pressure of assisting gas // J. Phys. D: Appl. Phys., 41 (2008), No. 15, 155 112 (8pp) P. 105−112.
- Зайцев А.В., Ковалев О. Б., Оришич A.M., Фомин B.M., Шулятьев В. Б. Газодинамика лазерной резки толстолистовых металлических пластин непрерывным СОг-лазером // Вычислительные технологии. 2006. Т. 11. Спец. вып. Ч. 1. С. 74−83.
- Зайцев А.В., Ковалев О. Б., Маликов А. Г., Оришич A.M., Шулятьев В. Б. Лазерная резка толстых стальных листов при использовании сверхзвуковой струи кислорода // Квантовая электроника. 2007. Т. 37, № 6. С. 891−893.
- Ковалев О.Б., Оришич A.M., Петров А. П., Фомин B.M., Малов А. Н., Ермолаев Г. В., Юдин П. В. Моделирование плавления и разрушения пленки расплава при газолазерной резке металлов.// Прикладная механика и техническая физика. 2004. Т.45, № 1. С. 162−172.
- Таблицы физических величин: Справ.// Под ред. И. К. Кикоина. М.:Атомиздат, 1976.
- Адельберг М. Средний размер капель, образующихся при распаде струи жидкости, впрыскиваемой в высокоскоростной газовый поток//Ракет. техника и космонавтика. 1968. Т.6, № 6. С. 187−193.
- Дамб Г. Гидродинамика. // М.- JL Гостехтеоретиздат, 1947.
- Леденев В.И., Карасев В. А., Якунин В. П. О связи капиллярных явлений и дефектообразовании при газолазерном разделении металлов // Изв.РАН. Сер. Физ. 1999. Т. 63, № 10. С. 2047−2052.
- Babchin A.J., Frenkel A.L., Levich B.G., Sivashinsky G.I. Nonlinear saturation of Rayleigh Taylor instability in thin films // Phys. Fluids. 1983. V. 26, № 11. P.3159−3160.
- Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. // M.: Физматгиз, 1959.
- Колмогоров А.Н. О дроблении капель в турбулентном потоке. // Доклады АН СССР. 1949. Т.66, № 5. С. 825−828.
- Яблоник P.M., Маркович Э. Э. О структуре формулы для среднего размера капель в пневматической форсунке//Изв. вузов. Энергетика. 1966. № 6. С.72−74.
- Маркович Э.Э., Гугучкин В. В., Васильев Н. И. Параметры капель, сорванных с жидкой пленки. // Черкассы, 1988, Деп. в Краснодарском политехническом институте (Отделении НИИТЭХИМа), 06.05.87, № 484-ХП-87.
- Fedorchenko A.I., Abdukhalikov R.A. Metastable flow regimes of a thin liquid film on a vertical surface. // Journal of Thermophysics and Aeromechanics, Vol. 6, No 3, 1999. pp. 379−382.
- Quintero F., Wagner F. et. al. Comprehensive assessment of the C02 laser cut quality of ceramics with different assist gas injection systems. // J. Laser Appl., Vol. 16, No. 4, November 2004.
- Лыков. A.B. Теория теплопроводности. // Москва. Высшая школа, 1967.
- Реутов В.П., Езерский А. Б., Рыбушкина Г. В., Чернов В. В. Конвективные структуры в тонком слое испаряющейся жидкости, обдуваемой воздушным потоком // Прикладная механика и техническая физика. 2007. Т. 48, № 4. С. 314.
- Корнилов В.И. Пространственные пристенные турбулентные течения в угловых конфигурациях. // Новосибирск: Наука. У2000.