Прогнозування результатів гібридного лазерно-плазмового різання вуглецевої сталі

Abstract

The prospects of hybrid laser-plasma cutting of metals have been justified, a design of an integrated plasmatron for hybrid cutting was proposed and the results of laser-plasma cutting of carbon sheet structural steels using such an integrated plasmatron were forecasted. It was shown that in order to minimize losses of laser radiation and obtain maximum penetration, it is advisable to assemble the integrated plasmatron according to a coaxial scheme with an axial arrangement of laser radiation and a minimum inclination of non-consumable electrodes (one or more), the distance from the working end of which to the axis of the laser beam should lie in the range of 2...3 mm. The diameter of the plasma-forming nozzle should lie within 2–5 mm and depth of focus under the surface of the cut sheet during hybrid cutting should be 1–2 mm. To simulate the processes of laser, plasma, and hybrid cutting, the SYSWELD software package was used which became possible due to taking into account the characteristic for cutting effect of removing sections of molten material in the cutting zone, performed by replacing the maximum overheating temperature during the calculation with the initial temperature (20 °C). The main parameters of the regimes of laser-plasma cutting were established which has made it possible to obtain minimum HAZ size with cut quality approaching that of the laser cut. At the same time, hybrid cutting requires an energy input of approximately half that of the air-plasma one. An increase in the speed of hybrid cutting by increasing the pressure and consumption of working gases makes it possible to compare energy input with the same indicator of gas laser cutting with more than a three-fold increase in the productivity of the processОбоснована перспективность гибридной лазерно-плазменной резки металлов, предложена конструкция интегрированного плазмотрона для гибридной резки, а также спрогнозированы результаты лазерно-плазменной резки листовых углеродистых конструкционных сталей с использованием такого интегрированного плазмотрона. Показано, что для минимизации потерь лазерного излучения и получения максимального проплавления интегрированный плазмотрон целесообразно компоновать по коаксиальной схеме с осевым расположением лазерного излучения и минимальным наклоном неплавящихся электродов (одного или более), расстояние от рабочего конца которых до оси лазерного пучка должно лежать в интервале 2…3 мм. Диаметр плазмообразующего сопла должен лежать в пределах 2–5 мм, а заглубление фокуса под поверхность разрезаемого листа при гибридной резке составлять 1–2 мм. Для моделирования процессов лазерной, плазменной и гибридной резки применяли программный комплекс SYSWELD, что стало возможным благодаря учету характерного для резки эффекта удаления участков расплавленного материала в зоне реза, выполняемого путем замены в ходе расчёта их максимальной температуры перегрева на исходную(20ºС). Установлены основные параметры режимов лазерно-плазменной резки, позволяющие получить минимальный размер ЗТВ при качестве реза, приближающемуся к лазерному. При этом для гибридной резки требуется энерговложение примерно вдвое меньшее, чем для воздушно-плазменной. Повышение скорости гибридной резки за счет увеличения давления и расхода рабочих газов, позволяет ее энерговложению сравнится с аналогичным показателем газолазерной резки при более чем трехкратном повышении производительности процессаОбґрунтовано перспективність гібридного лазерно-плазмового різання металів, запропоновано конструкцію інтегрованого плазмотрона для гібридної різання, а також спрогнозовано результати лазерно-плазмового різання листових вуглецевих конструкційних сталей з використанням такого інтегрованого плазмотрона. Показано, що для мінімізації втрат лазерного випромінювання і отримання максимального проплавлення інтегрований плазмотрон доцільно компонувати за коаксіальною схемою з осьовим розташуванням лазерного випромінювання і мінімальним нахилом неплавких електродів (одного або більше), відстань від робочого кінця яких до осі лазерного пучка повинна лежати в інтервалі 2...3 мм Діаметр плазмоутворюючого сопла повинен лежати в межах 2–5 мм, а заглиблення фокуса під поверхню листа, що розрізається, при гібридному різанні становити 1–2 мм. Для моделювання процесів лазерного, плазмового та гібридного різання застосовували програмний комплекс SYSWELD, що стало можливим завдяки врахуванню характерного для різання ефекту видалення ділянок розплавленого матеріалу в зоні різання, яке виконувалося шляхом заміни в ході їх розрахунку максимальної температури перегріву на початкову (20°С). Встановлені основні параметри режимів лазерно-плазмового різання, що дозволяють отримати мінімальний розмір ЗТВ при якості різу, яка наближається до лазерної. При цьому для гібридного різання потрібно енерговкладення приблизно вдвічі менше, ніж для повітряно-плазмового. Підвищення швидкості гібридного різання за рахунок збільшення тиску і витрати робочих газів дозволяє його енерговкладанню зрівнятися з аналогічним показником газолазерного різання при більш ніж трикратному підвищенню продуктивності процес