СРАВНЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ ЖИДКОСТНО-ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ МАТЕРИАЛОВ

​COMPARISON OF LIQUIDS FOR LIQUID-LASER CUTTING OF MATERIALS

Ilya Badin

Student, Faculty of Aircraft Novosibirsk State Technical University

Russia, Novosibirsk

Alexander Bachurin

Scientific supervisor, candidate of Technical Science Novosibirsk State Technical University

Russia, Novosibirsk

АННОТАЦИЯ

В работе рассматривается вопрос выбора рабочей жидкости, требующейся для работы в установке жидкостно-лазерной резки материалов. В качестве данных для анализа используются теплотехнические и гидродинамические параметры жидкостей и их смесей.

ABSTRACT

The paper considers the issue of the choice of the working fluid required for operation in the installation of liquid-laser cutting of materials. Thermal and hydrodynamic parameters of liquids and their mixtures are used as data for analysis.

Ключевые слова: лазер, ламинарный поток, теплоемкость, вязкость.

Keywords: laser, laminar flow, heat capacity, viscosity.

Введение. Лазерная раскрой является широко распространенным методом резки различных материала благодаря своей низкой стоимости. Однако в авиации данная технология не применяется. Это обусловлено образованием дефектов на «обработанной» кромке деталей из алюминиевых сплавов, которые является основными в самолёто-  и вертолётостроении на данный момент [1].

Возможным способом устранения данной проблемы может стать технология жидкостно-лазерной резки. Технология заключается в направлении лазерного излучения в тонкую ламинарную струю жидкости. Которая, благодаря границе раздела сред, снижает рассеивание лазерного излучения и производит охлаждение зоны резания. Это позволяет увеличить толщину разрезаемого материала и снизить величину термического воздействия на кромки.

Однако технология в основе своей базируется на использовании в качестве рабочей жидкости воду. Которая, благодаря своей теплоемкости, хоть и обеспечивает должный уровень охлаждения, но по мнению авторов не достаточный для резки алюминия. А потому предлагается рассмотреть комплексно параметры различных жидкостей для оценки их возможности по формированию устойчивых ламинарных струй и охлаждении зоны резания.

Основные параметры жидкости. Для совместного применения жидкости и лазерного излучения как инструмента резки материалов необходимо учитывать множество факторов, которые в своём большинстве завязаны на характеристиках самих сред.

Устойчивость потока под большим давлением. Данный параметр связан с условием формирования ламинарного потока для образования «жидкого оптического кабеля», согласно технологии. Однако при выходе сопла устройства направленный поток сталкивается с неоднородной воздушной средой, которая разрушает единую струю, разбивая её. Для увеличения длины струи, вышедшей из сопла до её разбиения, предлагается использовать жидкость, обладающие большей вязкостью.

Анализ вариантов. В ходе работы в качестве жидкости для установки рассматривались вода и её смеси с глицерином в различной концентрации. И силиконовое масло ПМС-10 [2, 3]. Ключевые параметры жидкостей представлены в таблице 1. Выбор данных жидкостей обосновывался их относительным соответствием вышеуказанным параметрам, а также доступностью и простотой в обращении (не токсичность, не требующих дополнительных мер безопасности). На начальном этапе рассмотрения жидкостей главным требованием была возможность формирования стабильного ламинарного потока для пропускания лазерного луча с высокой скоростью истечения. Соответственно требовались жидкости с низкой плотностью и высокой вязкость. В частности, глицерин был выбран в качестве «присадки» для основы (воды) с целью повышения её вязкости.

Таблица 1.

Параметры рабочих жидкостей

Анализ производился с учетом того, что истечение жидкости будет происходить из сопла диаметром 0,1 мм. Ключевым моментов является сохранение ламинарного характера истечения жидкости из сопла. Для этого требовалось определить максимально допустимую скорость её истечения согласно формуле [4]:

,                                                                                             (1)

где

 – скорость жидкость, м/с;

 – плотность жидкости, кг/м³;

 – внутренний диаметр канала, м;

 – динамическая вязкость жидкости,  [4];

 – число Рейнольдса.

Далее, исходя из максимальной скорости истечения жидкости, был рассчитан параметр теоретической максимальной скорости уноса тепла из зоны резания:

,                                                                             (2)

где

 – скорость уноса тепла из зоны обработки, Дж/(с · ˚С);

 – теплоёмкость жидкости, Дж/(кг · ˚С).

Результаты вычислений представлены на рис. 1 в виде диаграммы.

Рисунок 1. Диаграмма скорости истечения жидкостей из сопла.

Выводы. Согласно произведенному анализу, очевидно видно, что вода, хоть и является наиболее дешевым вариантом жидкости для данной технологии, однако демонстрирует достаточно низкие значения скорости истечения ламинарного потока. Что потребует специальных технических решений для её стабилизации. А низкие показатели уноса тепла (ниже только у 10% и 20% р-ров глицерина в воде) свидетельствуют о низкой охлаждающей способности. Что для сплавов на основе алюминия может означать сохранение эффекта трещинообразования в зоне термического влияния (ЗТВ) лазерного излучения. Для авторов перспективными кажутся смеси глицерина с водой в 40% и 50%, для резки алюминиевых сплавов. В виду небольшой их итоговой стоимости, безопасности применения и доступности. Однако низкая температура разложения глицерина может породить ряд проблем, так как она достаточно высока в зоне резания. Также заметно неоспоримое преимущество силиконового масла как в скорости «уноса тепла», так и в скорости истечения ламинарной струи. А также его меньшая коррозионная активность. Что для определенных сплавов на основе железа может быть критически важным. Его высокая температурная стабильность также неоспоримый плюс. А способность не образовывать активно пену обеспечит стабильность потоков в узких каналах, образованных резанием. Его более высокая цена, по сравнению с рассматриваемыми вариантами, нивелируется низким расходом жидкости в установках жидкостно-лазерной резки, порядка 6-7 литров в час. Также немаловажным преимуществом является более острый критический угол преломления. Что будет способствовать меньшим потерям на рассеивания лазерного излучения.

Список литературы:

1. Физические процессы при лазерной резке металлов [Электронный ресурс]. – URL: https://helpiks.org/4-97078.html (дата обращения: 03.11.2023).
2. Физические свойства водного раствора глицерина / НИОКР в машиностроении. Инновационное импортозамещение. [Электронный ресурс]. – URL: https://www.highexpert.ru/content/liquids/glw_solutions.html (дата обращения: 23.03.2023)
3. Характеристики полиметилсилоксана (ПМС) / ПМС 10 – свойства, характеристики, применение [Электронный ресурс]. – URL: http://pms200.ru/silikonovye-zhidkosti/pms-10.html (дата обращения: 23.03.2023)
4. Гостеев Ю. А. Гидравлика и газодинамика : учебное пособие / Ю. А. Гостеев; М-во образования и науки Российской Федерации, Новосибирский гос. технический ун-т, Фак. летательных аппаратов. - Новосибирск : Новосибирский гос. технический ун-т, 2008. – С.42–43