The influence patterns of nozzle design and technological parameters of gas-assisted laser cutting on the stagnant pressure of assisting gas

Abstract

The paper proposes and implements a methodology for experimental measuring of the dimensions of the action zone and the amount of pressure, which ensures the removal of the liquid phase during gas laser cutting and is created by the flow of the assist gas on the surface of the part. During the research, based on a serial LTS-PRO-6000-1530-LD machine of Aramis company, serial one-channel and two-channel nozzles of Thermacut company with an outlet diameter of 1.5 mm were installed in the optical head of the machine. In the experiments, air with the gauge pressure at the nozzle inlet of 0.5 MPa and 1 MPa was used as the assist gas. The regularities of the influence of the nozzle design, the gap between the nozzle and the part, and the gauge pressure at the nozzle inlet on changes in the diameter of the supersonic jet of the assist gas and the amount of pressure it creates exerting the surface of the part under technological conditions of gas laser cutting have been established. The obtained array of experimental data has shown that the traditional approach to the use of the existing range of serial nozzles makes it problematic to effectively design gas laser cutting processes with maximum productivity and reproducibility of the cut quality. This is related to complex phenomena in the supersonic jet, which determine the high sensitivity of the pressure value on the part's surface to changes in the nozzle geometry and process technological parameters. As a result, there is no understanding of what kind of pressure is created by the jet of the assist gas in the cutting zone under certain technological parameters of the process. The methodology proposed in this paper makes it relatively easy to create "passports" for the nozzles that each machine is equipped with. Thus, it becomes possible to take into account the real value of the assisting pressure field in the cutting zone when designing a specific technological process. As a result, productive high-quality cutting is more reliably ensured on a given technological installation and the level of process reproducibility is improved. Experimental verification has demonstrated a fairly good correlation between the local stagnant pressure of the assist gas jet and the maximum laser cutting speed and the cut quality.

В роботі запропонована та реалізована методика експериментального вимірювання розмірів зони дії та величини тиску, який забезпечує видалення рідкої фази при газолазерному різанні і створюється потоком асистуючого газу на поверхні деталі. При проведенні досліджень на базі серійного верстата LTS-PRO-6000-1530-LD фірми Араміс в оптичній головці верстата встановлювалися серійні сопла (одноканальне та двоканальне) компанії Thermacut з вихідним діаметром 1,5 мм. В експериментах як асистуючий газ використовували повітря з манометричним тиском на вході в сопло 0,5 МПа та 1 МПа. Встановлено закономірності впливу конструкції сопла, зазору між соплом і деталлю та манометричного тиску на вході в сопло на зміни діаметра надзвукового струменя асистуючого газу та величину тиску, який він створює при гальмуванні на поверхні деталі, за технологічних умов газолазерного різання. Отриманий масив експериментальних даних показав, що традиційний підхід до використання існуючого спектра серійних сопел робить проблематичним ефективне проєктування процесів газолазерного різання максимальної продуктивності та відтворюваності якості різу. Це пов’язано зі складними явищами в надзвуковому струмені, які визначають високу чутливість величини тиску на поверхні деталі до змін геометрії сопла та технологічних параметрів процесу. В результаті немає розуміння, яку саме величину тиску створює струмінь асистуючого газу в зоні різання за тих чи інших технологічних параметрів процесу. Запропонована в роботі методика дозволяє відносно просто створити «паспорти» сопел, якими комплектується кожний верстат. Таким чином стає можливим урахування реальної величини поля асистуючого тиску в зоні різання при проєктуванні конкретного технологічного процесу. Відповідно, надійніше забезпечується продуктивне високоякісне різання на цій технологічній установці та покращується рівень відтворюваності процесу. Експериментальна верифікація продемонструвала досить добру кореляцію між локальним тиском гальмування асистуючого газового струменя та максимальною швидкістю лазерного різання і якістю різу.