Технологічне забезпечення максимальної продуктивності газолазерного різання легованих сталей випромінюванням потужних оптоволоконних лазерів

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.