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

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.