https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/1791 2026-06-23T20:09:19Z 2026-06-23T20:09:19Z Середюк, Станіслав Петрович https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9498 2026-05-22T00:00:20Z 2026-05-16T00:00:00Z

Title: Технологічне забезпечення максимальної продуктивності газолазерного різання низьковуглецевих сталей випромінюванням потужних оптоволоконних лазерів Authors: Середюк, Станіслав Петрович Abstract: Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 131 Прикладна механіка – Черкаський державний технологічний університет Міністерства освіти та науки України, Черкаси, 2026. Процес лазерного різання низьковуглецевих сталей у середовищі кисню є складним теплофізичним та гідродинамічним процесом, що включає взаємодію лазерного випромінювання з матеріалом, плавлення металу, хімічну реакцію окиснення та видалення продуктів плавлення струменем асистуючого газу. На першому етапі відбувається поглинання енергії лазерного випромінювання поверхнею металу. Поглинута енергія призводить до швидкого нагрівання матеріалу до температури плавлення та часткового випаровування. Після утворення розплавленої зони струмінь кисню ініціює екзотермічну реакцію окиснення заліза, яка постачає додаткове тепло в зону різання і дозволяє скорочувати витрати лазерної енергії. Виділення додаткової теплоти внаслідок хімічної реакції сприяє підвищенню ефективності процесу різання порівняно з інертними газами та дозволяє збільшити товщину матеріалу, що підлягає обробці. Важливу роль відіграє також гідродинаміка потоку газу. Струмінь кисню виконує дві основні функції: інтенсифікує реакцію окиснення та видаляє розплавлений метал з зони різання. Ефективність видалення розплаву значною мірою визначає якість сформованої кромки. Із збільшенням товщини матеріалу збільшується об’єм розплавленого металу та тепловідвід у масив деталі. Це призводить до необхідності підвищення потужності лазерного випромінювання та зменшення швидкості переміщення ріжучої головки. В останній час в багатьох промислових підприємствах України виникла гостра потреба якісного газолазерного різання сталей великих товщин (15 мм – 25 мм). Відкликаючись на потреби ринку провідний виробник лазерних технологічних установок в Україні компанія «Араміс» започаткувала випуск лінійки установок, укомплектованих оптоволоконними лазерами потужністю 12 кВт. При газолазерному різанні низьковуглецевих сталей за використання в якості асистуючого газу кисню таку потужність економічно доцільно використовувати при різанні сталей товщиною більше 15 мм. Однак в рамках конкретного підприємства часто виникає потреба в різанні на даних потужних установках відносно невеликих товщин (від 2 мм і вище). Визначення ефективних режимів різання у всьому стандартному діапазоні товщин є складною багатоетапною задачею, вирішення якої вимагає системного комплексу експериментальних досліджень, аналізу отриманих результатів та їх апроксимації математичними функціями, побудови узагальненої математичної моделі процесу. Такий підхід забезпечує досягнення максимальної швидкості різу за заданої якості поверхонь отриманих деталей, що і обумовлює високу економічну ефективність технології за використання оптоволоконних лазерів з максимальною вихідною потужністю 12 кВт. Сукупність представлених у дисертації результатів теоретичних та експериментальних досліджень складає нове вирішення актуальної науково-технічної задачі, що полягає в отриманні нової точної інформації про закономірності впливу базових факторів процесу газолазерного різання низьковуглецевих сталей в середовищі кисню на продуктивність технології, за умови отримання відповідної поставленим вимогам якості отриманих деталей. Отримані результати підвищують ефективність проектування технологічних режимів різання низьковуглецевих сталей в середовищі кисню випромінюванням оптоволоконного лазера потужністю 12 кВт. У вступі представлена загальна характеристика дисертаційної роботи, надано обґрунтування її актуальності, сформульована мета та задачі наукового дослідження, предмет та об’єкт, подано наукову новизну та практичне значення здобутих результатів. У першому розділі виконано комплексний аналіз базових фізичних та технологічних факторів процесу газолазерного різання низьковуглецевих сталей із використанням випромінювання потужних оптоволоконних лазерів. Розглянуто фундаментальні механізми взаємодії лазерного випромінювання з металом. Показано, що визначальну роль у ефективності процесу відіграють коефіцієнт поглинання, стан поверхні матеріалу, наявність оксидних шарів та мікрогеометрія поверхні, які суттєво впливають на енергетичний баланс обробки. Детально проаналізовано механізм абляції як основного способу видалення матеріалу, що включає процеси плавлення, випаровування та витіснення розплавленої фази під дією тиску парів і допоміжного газового струменя. Встановлено, що ефективність абляційних процесів безпосередньо залежить від інтенсивності лазерного випромінювання та умов тепло- і масопереносу в зоні різання. Значну увагу приділено впливу типу асистуючого газу (кисень, азот, повітря) на кінетику процесу різання. Показано, що кисень забезпечує додаткове тепловиділення за рахунок екзотермічної реакції окиснення, що підвищує продуктивність, тоді як інертні гази сприяють отриманню більш чистої поверхні різу. Проаналізовано газодинамічні параметри процесу, зокрема вплив швидкості та тиску газового потоку на ефективність видалення розплаву. Сформовано багатофакторний простір параметрів, що визначає результати газолазерного різання, який включає лазерні, газодинамічні та матеріальні характеристики. Особливу увагу приділено впливу хімічного складу сталі, зокрема вмісту вуглецю та домішок (сірки, фосфору), на в’язкість розплаву, стабільність процесу та якість різу. Розглянуто енергетичний баланс процесу різання, визначено основні складові витрат енергії та втрат тепла. Показано роль щільності потужності випромінювання та гаусового розподілу інтенсивності в формуванні геометрії різального фронту, глибини проникнення та якості обробки. Встановлено, що розподіл інтенсивності суттєво впливає на формування дроселюючого каналу та характер течії розплаву. Отримані результати дозволяють сформувати узагальнене уявлення про фізичні основи процесу газолазерного різання та визначити ключові параметри, що забезпечують підвищення його ефективності й якості. У другому розділі представлено експериментальну базу досліджень та методичні підходи до вивчення процесів газолазерного різання низьковуглецевих сталей. Описано конструкцію та технічні характеристики сучасного лазерного технологічного комплексу AFX-PRO-12000-1530LD, оснащеного ітербієвим волоконним лазером потужністю 12 кВт. Розглянуто основні функціональні підсистеми установки, включаючи оптичний тракт, систему числового програмного керування, газопостачання та терморегулювання, що забезпечують стабільність і відтворюваність технологічного процесу. Наведено параметри точності, швидкодії та технологічних можливостей комплексу, а також описано програмне забезпечення для керування процесом різання, що дозволяє оперативно змінювати режими обробки. Показано, що використання сучасних систем автоматичного контролю фокуса та параметрів процесу є ключовим фактором забезпечення високої якості різу. Значну увагу приділено питанням достовірності експериментальних результатів. Розглянуто критерії оцінки точності досліджень, включаючи контроль вхідних параметрів (потужність лазера, тиск і чистота газу, характеристики матеріалу), забезпечення відтворюваності результатів, статистичну обробку даних та використання стандартизованих методів оцінки якості різу. Обґрунтовано необхідність комплексного підходу до аналізу результатів із урахуванням фізичних моделей процесу. Описано характеристики досліджуваного матеріалу – низьковуглецевої сталі Ст3, її хімічний склад, механічні властивості та технологічні переваги, що обумовлюють широке застосування в промисловості. Показано вплив основних легуючих елементів і домішок на поведінку матеріалу під час лазерної обробки. Розроблено та описано експериментальні методики дослідження параметрів газового струменя в зоні різання. Запропоновано оригінальний вимірювальний стенд для визначення геометричних характеристик струменя та розподілу контактного тиску. Наведено алгоритм проведення вимірювань, методи калібрування та оцінки похибок, що забезпечують високу точність експериментальних даних. Отримані експериментальні результати дозволяють встановити закономірності впливу геометрії сопла, тиску газу та величини зазору на характеристики газового потоку, що є важливим для оптимізації процесу газолазерного різання та підвищення його ефективності. У третьому та четвертому розділах виконано комплексне теоретико-експериментальне дослідження процесів газолазерного різання низьковуглецевих сталей із застосуванням оптоволоконного лазера потужністю 12 кВт. Основну увагу приділено встановленню закономірностей формування ріжучого тиску асистуючими газовими струменями та визначенню ефективних технологічних режимів різання. У третьому розділі досліджено газодинамічні особливості взаємодії дозвукових і надзвукових струменів асистуючого газу з поверхнею заготовки. Показано, що параметри газового середовища (тиск, тип газу, геометрія сопла та зазор між соплом і поверхнею) визначають структуру потоку, характер ударно-хвильових явищ і, як наслідок, ефективність видалення розплавленого металу та якість різу. Розроблено чисельну модель на основі рівнянь Нав’є–Стокса з використанням RANS-підходу та k–ε моделі турбулентності, що дозволило адекватно відтворити процеси розширення струменя, формування дисків Маха та розподіл тиску. Експериментальні дослідження підтвердили задовільну збіжність із результатами моделювання. Встановлено, що зі збільшенням зазору між соплом і заготовкою ріжучий тиск зменшується, причому найбільші відхилення виникають у надзвукових режимах через складну ударно-хвильову структуру потоку. Також доведено кореляцію між стабільністю ріжучого тиску та якістю поверхні різу. Окремо досліджено особливості застосування двоканальних сопел, які забезпечують стабілізацію струменя та підвищення ефективності процесу. У четвертому розділі наведено результати повнофакторного експерименту з визначення ефективних режимів лазерного різання в середовищі кисню. Встановлено залежності оптимальної потужності лазерного випромінювання та максимальної швидкості різання від товщини матеріалу. Показано, що зі збільшенням товщини металу зростає необхідна потужність і зменшується швидкість різання, що пов’язано з підвищенням об’єму розплаву та тепловідведенням у матеріал. Запропоновано аналітичні апроксимаційні залежності та узагальнену технологічну модель, яка пов’язує швидкість різання з потужністю лазера і товщиною заготовки. Проведений енергетичний аналіз засвідчив зростання енергоефективності процесу при збільшенні товщини листа, що пояснюється підсиленням ролі екзотермічної реакції окиснення та кращою локалізацією теплових потоків. Отримані результати мають важливе наукове та практичне значення, оскільки дозволяють підвищити продуктивність, якість і стабільність процесу газолазерного різання та можуть бути використані для оптимізації технологічних режимів у промислових умовах.; Doctoral dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the field of Specialty 131 Applied Mechanics – Cherkasy State Technological University of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Cherkasy, 2026. The process of laser cutting of low-carbon steels in an oxygen environment is a complex thermophysical and hydrodynamic process that includes the interaction of laser radiation with the material, metal melting, chemical oxidation reaction, and removal of molten products by an assist gas jet. At the initial stage, laser radiation energy is absorbed by the metal surface. The absorbed energy leads to rapid heating of the material to the melting temperature and partial evaporation. After the formation of a molten zone, the oxygen jet initiates an exothermic oxidation reaction of iron, which supplies additional heat to the cutting zone and allows reducing laser energy consumption. The release of additional heat due to the chemical reaction increases the efficiency of the cutting process compared to inert gases and enables processing of thicker materials. The hydrodynamics of the gas flow also plays an important role. The oxygen jet serves two main purposes: intensifies the oxidation reaction and removes molten metal from the cutting zone. The efficiency of molten metal removal largely determines the quality of the formed edge. As the material thickness increases, the volume of molten metal and heat transfer into the bulk of the part also increase. This necessitates an increase in laser power and a reduction in the cutting head feed rate. Recently, many industrial enterprises in Ukraine have faced an urgent need for high-quality gas-assisted laser cutting of thick steels (15 mm – 25 mm). In response to market demands, the leading manufacturer of laser technological equipment in Ukraine, the company “Aramis”, has launched a series of systems equipped with 12 kW fiber lasers. In gas-assisted laser cutting of low-carbon steels using oxygen as an assist gas, such power is economically justified when cutting steels thicker than 15 mm. However, within a specific enterprise, there is often a need to cut relatively small thicknesses (from 2 mm and above) using these high-power systems. Determining effective cutting parameters across the entire standard range of thicknesses is a complex, multi-step task that requires a systematic approach involving experimental studies, analysis of the results obtained, their approximation using mathematical functions, and the development of a generalized mathematical model of the process. This approach ensures achieving the maximum cutting speed while maintaining the required surface quality of the produced parts, which determines the high economic efficiency of the technology when using fiber lasers with a maximum output power of 12 kW. The set of theoretical and experimental research results presented in this dissertation provides a novel solution to an urgent scientific and technical problem, which involves obtaining new, accurate information on the patterns of influence of the fundamental factors in the gas-assisted laser cutting process of low-carbon steels in an oxygen environment on the productivity of the technology, provided that the quality of the resulting parts meets the specified requirements. The obtained results improve the efficiency of designing technological cutting parameters for low-carbon steels in an oxygen environment using a 12-kW fiber laser. The introduction provides an overview of the dissertation, justifies its relevance, outlines the purpose and objectives of the research, defines the subject and object of study, and highlights the scientific novelty and practical significance of the findings. The first chapter presents a comprehensive analysis of the fundamental physical and technological factors involved in the gas laser cutting of low-carbon steels using high-power fiber lasers. The fundamental mechanisms of laser-metal interaction are examined. It is shown that the absorption coefficient, the surface condition of the material, the presence of oxide layers, and the surface microgeometry play a decisive role in the process efficiency, as they significantly influence the energy balance of the machining. The mechanism of ablation as the primary method of material removal is analyzed in detail, including the processes of melting, evaporation, and displacement of the molten phase under the action of vapor pressure and an auxiliary gas jet. It has been established that the efficiency of ablation processes directly depends on the intensity of laser radiation and the conditions of heat and mass transfer in the cutting zone. Considerable attention has been paid to the effect of the type of assist gas (oxygen, nitrogen, air) on the kinetics of the cutting process. It has been shown that oxygen provides additional heat release due to the exothermic oxidation reaction, which increases productivity, whereas inert gases contribute to a cleaner cut surface. The gas-dynamic parameters of the process were analyzed, in particular the effect of gas flow velocity and pressure on the efficiency of molten material removal. A multifactorial parameter space has been established that determines the results of gas laser cutting, incorporating laser, gas-dynamic, and material characteristics. Particular attention is paid to the influence of the chemical composition of steel, specifically the carbon content and impurities (sulfur, phosphorus) on the viscosity of the melt, process stability, and cut quality. The energy balance of the cutting process is examined, and the main components of energy consumption and heat loss are identified. The role of radiation power density and the Gaussian distribution of intensity in shaping the cutting front geometry, penetration depth, and machining quality is demonstrated. It is established that the intensity distribution significantly influences the formation of the throttling channel and the nature of the molten metal flow. The results obtained provide a general understanding of the physical principles underlying the gas laser cutting process and identify the key parameters that enhance its efficiency and quality. The second chapter presents the experimental framework and methodological approaches for studying gas laser cutting processes of low-carbon steels. It describes the design and technical specifications of the modern AFX-PRO-12000-1530LD laser machining system, equipped with a 12-kW ytterbium fiber laser. The main functional subsystems of the installation are considered, including the optical path, the numerical control system, the gas supply, and the temperature control system, which ensure the stability and reproducibility of the technological process. The paper presents the system’s accuracy, speed, and technical capabilities, and describes the software used to control the cutting process, which allows for quick changes to machining modes. It demonstrates that the use of modern systems for automatic focus control and process parameter monitoring is a key factor in ensuring high-quality cuts. Considerable attention has been paid to the reliability of experimental results. Criteria for evaluating the accuracy of studies are considered, including control of input parameters (laser power, gas pressure and purity, material characteristics), ensuring the reproducibility of results, statistical data processing, and the use of standardized methods for evaluating cut quality. The necessity of a comprehensive approach to analyzing results, taking into account physical models of the process, is substantiated. This paper describes the characteristics of the material under study — Ст3 low-carbon steel including its chemical composition, mechanical properties, and technological advantages, which account for its widespread use in the industry. The influence of the main alloying elements and impurities on the material’s behavior during laser processing is demonstrated. Experimental methods for studying the parameters of a gas jet in the cutting zone have been developed and described. An original test bench has been proposed for determining the geometric characteristics of the jet and the distribution of contact pressure. An algorithm for conducting measurements, as well as methods for calibration and error estimation, are presented, ensuring high accuracy of the experimental data. The experimental results obtained make it possible to identify patterns in how nozzle geometry, gas pressure, and gap width affect gas flow characteristics, which is important for optimizing the gas laser cutting process and improving its efficiency. Chapters 3 and 4 present a comprehensive theoretical and experimental study of gas laser cutting processes for low-carbon steels using a 12-kW fiber laser. The main focus is on establishing the patterns of cutting pressure formation by the assisting gas jets and determining effective cutting parameters. The third chapter examines the gas-dynamic characteristics of the interaction between subsonic and supersonic jets of assist gas and the workpiece surface. It is shown that the parameters of the gas medium (pressure, gas type, nozzle geometry, and the gap between the nozzle and the surface) determine the flow structure, the nature of shock wave phenomena, and, as a result, the efficiency of molten metal removal and the quality of the cut. A numerical model based on the Navier–Stokes equations was developed using the RANS approach and the k–ε turbulence model, which allowed for an adequate reproduction of the jet expansion processes, the formation of Mach disks, and the pressure distribution. Experimental studies confirmed satisfactory agreement with the simulation results. It was established that as the gap between the nozzle and the workpiece increases, the cutting pressure decreases, with the greatest deviations occurring in supersonic regimes due to the complex shock-wave structure of the flow. A correlation between the stability of the cutting pressure and the quality of the cut surface was also demonstrated. The specific features of using dual-channel nozzles, which ensure jet stabilization and improve process efficiency, were investigated separately. Chapter 4 presents the results of a full-factorial experiment aimed at determining the optimal conditions for laser cutting in an oxygen atmosphere. The dependencies of the optimal laser power and maximum cutting speed on material thickness have been established. It is shown that as the metal thickness increases, the required power increases and the cutting speed decreases, which is associated with an increase in the volume of the melt and heat dissipation into the material. Analytical approximate dependencies and a generalized technological model linking cutting speed to laser power and workpiece thickness are proposed. The energy analysis conducted demonstrated an increase in the energy efficiency of the process as sheet thickness increases, which is explained by the enhanced role of the exothermic oxidation reaction and better localization of heat fluxes. The results obtained are of significant scientific and practical importance, as they enable improvements in the productivity, quality, and stability of the gas laser cutting process and can be used to optimize process parameters in industrial settings.

2026-05-16T00:00:00Z Прусс, Максим Романович https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/5703 2025-08-15T00:00:27Z 2025-01-01T00:00:00Z

Title: Технологічне забезпечення максимальної продуктивності газолазерного різання легованих сталей випромінюванням потужних оптоволоконних лазерів Authors: Прусс, Максим Романович Abstract: Прусс М.Р. – Технологічне забезпечення максимальної продуктивності газолазерного різання легованих сталей випромінюванням потужних оптоволоконних лазерів – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 131 Прикладна механіка – Черкаський державний технологічний університет Міністерства освіти та науки України, Черкаси, 2025. Різання нержавіючих сталей різної товщини за допомогою потужних оптоволоконних лазерів сьогодні достатньо широко використовується промисловими підприємствами України. Виробники, які використовують у своєму виробництві дану технологію, особливо зацікавлені в досягненні високої якості різання, щоб можна було виключити повторну обробку відрізаних деталей, високої швидкості різання для максимізації продуктивності та доброї відтворюваності процесу. Таким чином технічні та економічні критерії, що впливають на вибір відповідної лазерної системи для конкретного лазерного різання, зараз набувають великого значення. Підвищення ефективності процесу, якості та гнучкості допомагають зменшити витрати. Провідний виробник лазерних технологічних установок в Україні компанія «Араміс» започаткувала випуск лінійки установок, укомплектованих оптоволоконними лазерами потужністю 12 кВт. Публікацій присвячених дослідженням режимів газолазерного різання нержавіючих сталей з використанням такої потужності відносно небагато. Окрім того принципи та результати наведені в відомих наукових публікаціях не завжди можна визнати достатньо експериментально обґрунтованими. Навіть конкретні технологічні рекомендації надані відомими дослідницькими центрами, за використання підприємствами України, вимагають від українських виробників лазерних технологічних установок суттєвої корекції. Це стосується як продуктивності процесу так і якості бокової поверхні. Ефективна корекція можлива лише як результат добре спланованих, системних експериментальних досліджень процесу газолазерного різання нержавіючих сталей та встановленням конкретних технологічних умов, що забезпечують високу продуктивність процесу за відповідної вимогам споживача якості бокових поверхонь. Сукупність представлених у дисертації результатів експериментальних та теоретичних досліджень становить нове вирішення актуальної науково-технічної задачі підвищення ефективності технологічного забезпечення процесів розкроювання листової нержавіючої сталі випромінюванням оптоволоконного лазера потужністю 12 кВт, спрямованого на досягнення максимальної продуктивності різання за заданої якості поверхонь отриманих деталей та високого рівня відтворюваності процесу. У вступі представлена загальна характеристика дисертаційної роботи, обґрунтовано її актуальність, сформульовано мету та задачі наукового дослідження, предмет та об’єкт, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Перший розділ роботи присвячений розгляду стану проблем та оцінці факторів, що мають вплив на процес та результати газолазерного різання нержавіючих сталей. Проведений детальний аналіз механізмів впливу вихідної потужності та гаусового розподілу інтенсивності випромінювання, хімічного складу найбільш використовуваних в технологіях газолазерного різання легованих сталей, фокусної відстані об’єктива та положення фокусу відносно поверхні деталі, стану поверхні металу, типу асистуючого газу, конструкція сопла та величини зазору між соплом та металом на процеси плавлення та видалення розплаву з зони обробки. Розглянуто відомі підходи до оптимізації локалізації лазерного випромінювання та ширини різання. У другому розділі представлено розроблені та підібрані методики та обладнання для реалізації комплексу експериментальних досліджень процесів газолазерного різання нержавіючих сталей. Наведено оригінальні конструкції пристрою для точного вимірювання профілю поверхні різу та зонду для реєстрації поля ріжучого тиску асистуючого газу в зоні різання. Запропоновані методики оцінки впливу параметрів факторного простору на продуктивність на якість різання, узгоджені з вимогами стандарту ISO 9013:2017. Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням аеродинамічної взаємодії між струменем асистуючого газу і деталлю, що формує так званий ріжучий тиск, який в основному і обумовлює характер видалення розплаву з зони різання. Представлені результати комплексу системних досліджень дозволили отримати масив експериментальних даних, та виявити закономірності впливу внутрішньої структури та розмірів сопла, манометричного тиску всередині сопла, величини зазору між соплом деталлю на геометрію сформованого струменя асистуючого газу (повітря і азот) та величини ріжучого тиску в довільному його перетині при гальмуванні на поверхні деталі. Вперше отримані точні чисельні дані про параметри полів ріжучого тиску, які формуються найбільш масовими соплами компанії Thermacut. Це дозволило зробити більш точним та ефективним проєктування процесів газолазерного різання максимальної продуктивності, за рахунок точного прогнозування величини ріжучого тиску, який створить газовий струмінь обраного сопла в конкретних технологічних умовах. Відповідно створено умови для більш надійного забезпечення продуктивного високоякісного різання та підвищення рівня відтворюваності процесу. Наведені результати експериментальної верифікації підтвердили досить добру кореляцію між ріжучим тиском гальмування асистуючого газового струменя та максимальною швидкістю і якістю газолазерного різання нержавіючої сталі. В четвертому розділі наведено результати системного комплексу досліджень по встановленню режимів та умов максимальної продуктивності різання нержавіючих сталей без втрати заданої якості обробки за використання в якості асистуючих газів азоту та повітря. Встановлено діапазони збалансованих параметрів лазерного променю та лазерного процесу при різанні листової нержавіючої сталі стандартного ряду товщин випромінюванням оптоволоконного лазера потужністю 12000 Вт з використанням в якості асистуючих газів азоту та повітря. Обґрунтовані режими забезпечують високу продуктивність та кількісний контроль за параметрами якості різу, які відповідають вимогам стандарту ISO 9013:2017. Виявлено рівень впливу типу асистуючого газу на продуктивність та якість різання. Використовуючи ліцензійний пакет Statistica виконано статистичний аналіз отриманого експериментального матеріалу та розроблено три регресійні моделі, які встановлюють залежність максимальної шорсткості поверхні різання (Y) від базових факторів процесу: тиску асистуючого газу (Z1-азот), положення фокусу відносно поверхні листа (Z2), швидкості різання (Z3) при обробці 12 мм нержавіючої сталі AISI 304. Перевірка отриманих моделей за критеріями Стьюдента та Фішера підтвердила їх інформативність та адекватність. Виконане порівняння моделей показало, що найвищі точність і адекватність має регресійна інтелектуальна модель MLP 3-23-1, що створена на основі штучних нейронних мереж, за методом SANN Regression with Deployment. Розрахункова похибка прогнозу за моделлю не перевищує 0,0728 %. Отримані результати покладені в основу технологічної інструкції до серійних верстатів моделі AFX-PRO-12000-1530LD. Проведена експериментальна верифікація підтвердила добру відтворюваність наданих режимів. Відхилення параметрів якості від табличних значень не перевищувало 5%. Матеріали розділу можуть слугувати підґрунтям для трибологічних досліджень поверхонь, отриманих лазерним різанням з використанням в якості одного з вхідних параметрів кривої коефіцієнта стійкості Еббота-Файрстоуна. Ключові слова: оптоволоконний лазер, газолазерне різання, лазерний промінь, положення фокусу, тиск асистуючого газу, сопло, шорсткість поверхні, допуск перпендикулярності, нержавіюча сталь. Pruss M.R. – Technological provisions for maximum productivity cutting alloyed steels with gas laser by radiation of powerful fiber optic lasers with an electrode – Qualification research work printed as a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 131 Applied Mechanics – Cherkasy State Technological University of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Cherkasy, 2025. Cutting stainless steels of varying thicknesses using high-power fiber optic lasers is being widely applied across industrial enterprises in Ukraine. Manufacturers employing this technology are particularly focused on achieving high cutting quality, specifically, eliminating the need for secondary processing of parts along with high cutting speeds to maximize productivity and ensure reliable process reproducibility. Thus, the technical and economic criteria influencing the selection of an appropriate laser system for a specific cutting task have gained significant importance. Enhancements in process efficiency, quality, and flexibility directly contribute to cost reduction. In this context, Aramis, the leading Ukrainian manufacturer of laser processing systems, has launched a series of installations equipped with 12 kW fiber lasers. Despite the increasing relevance of this technology, relatively few scholarly works have addressed the parameters of gas-assisted laser cutting of stainless steels using lasers of this power level. Furthermore, the principles and findings presented in existing literature often lack sufficient experimental validation. Even specific technological recommendations proposed by recognized research centers require substantial adaptation when applied within the Ukrainian industrial context, particularly concerning process productivity and the quality of the cut side surfaces. Effective adaptation is only feasible through well-planned, systematic experimental investigations into the gas-assisted laser cutting of stainless steels. These studies are essential for identifying precise technological parameters that enable high cutting productivity while ensuring that the quality of the side surfaces meets the consumers’ requirements. The set of experimental and theoretical findings presented in this dissertation offers a novel solution to the current scientific and technical challenge of increasing the technological performance of stainless steel sheet cutting using 12 kW fiber laser radiation. The work is directed toward achieving optimal cutting productivity, surface quality consistent with the requirements, and a high degree of process reproducibility. The introduction presents a general overview of the dissertation, justifies its relevance, formulates the aim and the objectives of the research, its subject and object, and presents the scientific novelty and practical significance of the results obtained. Chapter 1 outlines the state of the problem and assesses the factors that influence the process and results of gas-assisted laser cutting of stainless steels. The chapter provides a detailed analysis of the mechanisms explaining how the output power and Gaussian radiation intensity distribution, the chemical composition of the most commonly used alloy steels in gas laser cutting technologies, the focal length of the lens and the focus position relative to the part’s surface, the condition of the metal surface, the type of assist gas, the nozzle design and the size of the gap between the nozzle and the metal influence the melting processes and removal of the melt from the processing zone. Known approaches to optimizing the localization of laser radiation and the cutting width have been considered. Chapter 2 describes the methods and equipment developed and selected to conduct a comprehensive series of experimental studies on the gas-assisted laser cutting of stainless steels. The chapter introduces original designs, including a device for high-precision measurement of the cut surface profile and a probe for recording the pressure field of the assist gas within the cutting zone. Additionally, methods are proposed for evaluating the influence of factor space parameters on cutting productivity and quality. These methods are aligned with the requirements of the ISO 9013:2017 standard, ensuring the reliability and standardization of the results. Chapter 3 focuses on experimental investigations of the aerodynamic interaction between the assist gas jet and the workpiece, which generates the so called cutting pressure, a key factor influencing the mechanism of molten material removal from the cutting zone. The systematic experimental studies conducted yielded an array of experimental data and revealed patterns governing the effects of nozzle internal geometry and dimensions, internal gauge pressure, and the standoff distance between the nozzle and the workpiece on the shape of the assist gas jet (using air and nitrogen) and the distribution of cutting pressure across arbitrary cross-sections during jet impingement. For the first time, accurate numerical data were obtained on the parameters of cutting pressure fields formed by the most commonly used nozzles manufactured by Thermacut. These findings significantly improve the accuracy and effectiveness of designing high productivity gas laser cutting processes by enabling precise prediction of the cutting pressure generated by a given nozzle under specific technological conditions. As a result, the reliability of achieving efficient, high-quality cutting and enhanced process reproducibility has been substantially increased. Experimental validation confirmed a fairly strong correlation between the braking induced cutting pressure of the assist gas jet and the maximum achievable cutting speed and quality in the laser cutting of stainless steel. Chapter 4 presents the results of a comprehensive and systematic study aimed at identifying the optimal modes and conditions ensuring maximum productivity of cutting stainless steels while maintaining the specified processing quality, using nitrogen and air as assist gases. The study establishes balanced parameter ranges for the laser beam and the overall laser cutting process for standard sheet stainless steel thicknesses, using 12,000W fiber laser radiation. The validated cutting modes ensure both high productivity and quantitative control over quality parameters, in accordance with the ISO 9013:2017 standard. The influence of the assist gas type on cutting productivity and surface quality was also quantitatively assessed. Using the licensed Statistica software package, statistical analysis of the experimental data was carried out, resulting in the development of three regression models describing the dependence of the maximum surface roughness (Y) on the primary process factors: assist gas pressure (Z1-nitrogen), laser focus position relative to the sheet surface (Z2), and cutting speed (Z3), in the processing of 12 mm AISI 304 stainless steel. Model verification using the Student and Fisher criteria confirmed both their statistical significance and adequacy. Among the models developed, the highest accuracy and predictive performance were achieved by the intelligent regression model MLP-3-23-1, based on artificial neural networks and created using the SANN Regression with Deployment method. The model’s estimated prediction error does not exceed 0.0728%. The results obtained formed the basis for developing technological guidelines for the serial production machines of the AFX-PRO-12000-1530LD model. Experimental validation confirmed a high level of reproducibility of the recommended cutting modes, with deviations in quality parameters from the reference values not exceeding 5%. Additionally, the findings of this study may serve as a foundation for future tribological investigations of laser-cut surfaces, using the Abbott–Firestone bearing area curve as one of the key input parameters for evaluating surface stability. Keywords: fiber laser, gas-assisted laser cutting, laser beam, focus position, assist gas pressure, nozzle, surface roughness, perpendicularity tolerance, stainless steel.

2025-01-01T00:00:00Z Кондаков, Андрій Вадимович https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/1792 2021-02-24T01:00:51Z 2021-01-01T00:00:00Z

Title: Технологічне забезпечення керованого формування параметрів поверхневих шарів сталей при електроерозійній обробці дротяним електродом Authors: Кондаков, Андрій Вадимович Abstract: Застосування інноваційних розробок в технології обробки матеріалів дозволяє розширити використання високоякісних матеріалів високої твердості в машинобудуванні. Під час їх обробки, стандартні способи виробництва поступово витісняються більш прогресивними стратегіями, наприклад, обробка електроерозією, електрохімічна обробка, ультразвукова обробка та лазерна обробка. Електроерозійна обробка (ЕЕО) включає в себе комплексне залучення численних фізичних явищ. Електричні іскри між катодом та анодом утворюють велику кількість тепла над невеликою ділянкою деталі. Матеріал деталі видаляється завдяки виникненню розплавлення і випаровування, викликаних високою температурою при обваленні каналу плазми розряду. Параметри поверхневих шарів сталевих деталей, технічні та технологічні характеристики процесу, які визначають механізми та результати їх формування потребують подальших комплексних системних досліджень. Розвиток уявлень про формування параметрів поверхневих шарів сталевих деталей при електроерозійній обробці дротяним електродом дозволить підвищити їх експлуатаційні характеристики, за рахунок більш якісного прогнозування та керованого формування заданої мікрогеометрії та фізико-механічних властивостей. Сукупність представлених у дисертації результатів експериментальних та теоретичних досліджень становить нове вирішення актуальної науково-технічної задачі підвищення ефективності технологічного забезпечення прогнозування та керованого формування мікрогеометрії та фізико-механічних властивостей поверхневих шарів сталей при електроерозійній обробці дротяним електродом. У вступі наведено загальну характеристику дисертаційних досліджень, їх актуальність, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, предмет та об’єкт дослідження, сформульовано мету та задачі наукового дослідження. Перший розділ роботи присвячений аналізу стану проблем та факторів, що мають вплив на формування якості поверхонь при електроерозійній обробці дротяним електродом. Проведений детальний аналіз параметрів сучасних генераторів технологічного струму електроерозійних вирізних верстатів та механізми їх впливу на формування одиничної ерозійної лунки, продуктивність процесу різання та якість сформованих поверхонь. Проаналізовано вплив характеристик дротяного електроду-інструменту на процес електроерозійного вирізання. Розглянуто відомі моделі формоутворення поверхні при електроерозійній обробці та особливості формування структури поверхневих шарів. У другому розділі представлено розроблені та підібрані методики та обладнання для реалізації комплексу експериментальних досліджень керованого впливу основних параметрів електроерозійного дротяного вирізання на формування мікрогеометрії, структури та фізико-механічних властивостей поверхневих шарів сталей. Запропоновано та адаптовано оригінальну методику визначення напруг у зоні термічного впливу після електроерозійного дротяного різання у відомих простих технологічних схемах. Третій розділ присвячений теоретичним та експериментальним дослідженням процесів формування геометрії одиничної ерозійної лунки та мікрогеометрії поверхонь утворених масовою дією розрядів при електроерозійному дротяному вирізанні (ЕЕДВ). Виявлено закономірності зміни енергоефективності процесу руйнування конструкційної Сталі 45 в обраному діапазоні режимів роботи генератора. Для групи сталей з відомими та достатньо близькими теплофізичними характеристиками (Сталь 45, Сталь 48, 40Х, У10, Х12М) отримана система рівнянь, які дозволяють на етапі проектування технологічного процесу електроерозійного дротяного вирізання для відомих енергії розряду, що виділяється на аноді, тривалості розряду та коефіцієнта перекриття лунок розраховувати три базові параметри шорсткості – Rz, Ra, Rq. Отримані закономірності виникнення та впливу вібрацій дротяного електроду-інструменту (ДЕІ) на формування мікрогеометрії оброблених поверхонь. Розроблено математичну статистичну модель для розрахунку впливу вібрацій ДЕІ на мікрогеометрію оброблених поверхонь. В четвертому розділі наведено результати системного комплексу досліджень по визначенню мікротвердості, структури та товщини зони термічного зміцнення в якісній вуглецевій конструкційній Сталі 45 після ЕЕДВ. Отримані результати забезпечують поповнення бази даних та розширення уявлень про закономірності впливу часово-енергетичних характеристик імпульсів технологічного струму на формування термічно зміцненого шару за ЕЕДВ якісних вуглецевих сталей. Висунуто, обґрунтовано та експериментально підтверджено гіпотезу про те, що при ЕЕДВ якісних вуглецевих сталей за використання розрядних імпульсів струму з енергетичними та часовими параметрами характерними для сучасних електроерозійних вирізних верстатів домінуючий вплив на формування товщини термічно зміцненого шару має тривалість імпульсу струму. Проведена серія чисельних експериментів в цілому підтвердила отримані експериментальні результати, що дозволяє з похибкою, що не перевищує 15% використовувати їх для прогнозування та керування формуванням необхідної за умовами експлуатації товщини термічно зміцненого шару при ЕЕДВ широкої групи конструкційних та інструментальних вуглецевих сталей. Результати комплексу експериментальних досліджень залишкової напруги в ЗТВ сталі У7А після дротяного електроерозійного різання повного зйому та додаткових проходів показали, що максимальна напруга розтягу скорочується зі збільшенням кількості додаткових проходів. Для чорнової електроерозії спостерігається релаксація залишкових напружень у часі, що зменшує максимальне залишкове напруження розтягу. Отримані результати, по суті, відкривають перспективний шлях до мінімізації енергетичних затрат на обробку тієї чи іншої марки сталі та керування характеристиками оброблених поверхонь, як з точки зору формування мікрогеометрії, так і глибини зміни структури в зоні термічного впливу. Application of innovative developments in technology of processing of materials allows to expand use of high-quality materials of high hardness in mechanical engineering. During their processing, standard production methods are gradually being replaced by more progressive strategies, such as electroerosion treatment, electrochemical treatment, ultrasonic treatment and laser treatment. Electrical discharge machining (EDM) involves the complex involvement of numerous physical phenomena. Electric sparks between the cathode and the anode generate a large amount of heat over a small area of the part. The material of the part is removed due to the occurrence of melting and evaporation caused by high temperatures during the collapse of the discharge plasma channel. The parameters of the surface layers of steel parts, technical and technological characteristics of the process, which determine the mechanisms and results of their formation require further comprehensive system studies. The development of ideas about the formation of the parameters of the surface layers of steel parts during EDM treatment with a wire electrode will improve their performance, due to better forecasting and controlled formation of the specified micro geometry and physical and mechanical properties. The set of results of experimental and theoretical researches presented in the dissertation is a new solution of the actual scientific and technical problem of increase of efficiency of technological maintenance of forecasting and controlled formation of micro geometry and physical and mechanical properties of surface layers of steels at electroerosive processing by a wire electrode. The introduction presents the general characteristics of dissertation research, their relevance, scientific novelty and practical significance of the results, subject and object of research, formulates the purpose and objectives of research. The first section is devoted to the analysis of the state of problems and factors that affect the formation of surface quality during EDM treatment with a wire electrode. The detailed analysis of parameters of modern generators of technological current of electroerosive cutting machines and mechanisms of their influence on formation of a single erosion hole, productivity the process of cutting and quality of the formed surfaces is carried out. The influence of the characteristics of the wire electrode-tool on the process of electroerosive cutting is analyzed. The known models of surface formation during electroerosive treatment and features of formation of structure of surface layers are considered. The second section presents the developed and selected methods and equipment for the implementation of a set of experimental studies of controlled influence of the main parameters of EDM wire cutting on the formation of micro geometry, structure and physical and mechanical properties of surface layers of steels. An original method for determining stresses in the zone of thermal influence after EDM wire cutting in known simple technological schemes is proposed and adapted. The third section is devoted to theoretical and experimental studies of the processes of formation of the geometry of a single erosion hole and the micro geometry of the surfaces formed by the mass action of discharges in wire electrical discharge machining (EEDV). Regularities of change of energy efficiency of the process of destruction of structural steel 45 in the selected range of modes of operation of the generator are revealed. For a group of steels with known and sufficiently similar thermophysical characteristics (Steel 45, Steel 48, 40X, U10, X12M) a system of equations is obtained, which allows at the stage of designing the technological process of EDM for known discharge energy released at the anode, discharge duration and the coefficient of overlap of the holes to calculate the three basic parameters of roughness – Rz, Ra, Rq. The regularities of the occurrence and influence of vibrations of the wire tool electrode (DEI) on the formation of the micro geometry of the treated surfaces are obtained. A mathematical statistical model for calculating the effect of DEI vibrations on the micro geometry of treated surfaces has been developed. The fourth section presents the results of a systematic set of studies to determine the microhardness, structure and thickness of the thermal hardening zone in high-quality carbon structural Steel 45 after EEDV. The obtained results provide replenishment of the database and expansion of ideas about the patterns of influence of time-energy characteristics of process current pulses on the formation of a thermally strengthened layer by EEDV of high-quality carbon steels. The hypothesis that the EEDV of high-quality carbon steels with the use of discharge current pulses with energy and time parameters characteristic of modern EDM cutting machines has a dominant influence on the formation of the thickness of the thermally hardened layer has been put forward, substantiated and experimentally confirmed. The conducted series of numerical experiments, in general, confirmed the obtained experimental results, which allows with an error not exceeding 15% to use them to predict and control the formation of the required operating conditions of the thickness of the thermally strengthened layer at EEDV of a wide group of structural and tool carbon steels. The results of a set of experimental studies of residual stress in HAZ steel U7A after wire EDM cutting of complete removal and additional passes showed that the maximum tensile stress decreases with increasing number of additional passes. For rough electroerosion, there is a relaxation of residual stresses over time, which reduces the maximum residual tensile stress. The obtained results, in fact, open a promising way to minimize energy costs for processing a grade of steel and control the characteristics of treated surfaces, both in terms of micro geometry formation and the depth of structure change in the thermal zone.

2021-01-01T00:00:00Z