Optimal choice of the technology of thick steel sheets laser cutting

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Laser cutting of steel when oxygen is used as a process gas can be done by two methods. The first one is the laser-oxygen cutting, which presents the forced combustion of iron in oxygen. In this case, the laser radiation and exothermic reaction of oxidation make roughly equal contribution in the energy balance. The second method is the oxy-laser cutting when the laser beam just initiates the combustion reaction, which provides almost all energy needed for the cutting. This method is used for thick sheets. As of today, there are no scientifically proven criteria of the choice of the cutting method for a certain sheet thickness providing the qualitative cut with the low roughness. Above all it results from the insufficient information about the mechanisms of the cut surface shape formation. Available theoretical models of the laser cutting cannot be a reliable tool to choose the optimal cutting method regarding the sheet thickness. In this paper, the problem is solved experimentally. Generalization of a large body of experimental data enables to have the empirical dependence of the optimal cutting speed Vq, at which the roughness is minimal, on the cut sheet thickness: QUOTE . The criterion is proposed, the maximal sheet thickness tm is found; above it, the high-quality laser-oxygen cutting is impossible. The value tm is found from the condition Vq = Vc, where the critical speed Vc, at which the uncontrolled side burning begins, the cutting roughness increases, and the high-quality cutting is impossible. The measured value Vc is equal to 0.4…0.5 m/min, which correlates to tm = 40…50 mm. The oxygen-assisted laser cutting of low-carbon and low-alloyed steels is advisable starting from the thickness of 30…40 mm. The tests of the laser-oxygen cutting of sheets of 18…50 mm showed that at the thickness of 30 and 40 mm, the oxygen-assisted laser cutting provides the cut quality not worse than the laser-oxygen cutting if the process parameters are optimal.

About the authors

A. A Golyshev

Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS

Email: alexgol@itam.nsc.ru
4/1, Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation

A. M Orishich

Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS

Email: orishich@itam.nsc.ru
4/1, Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation

V. B Shulyatyev

Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS

Email: shulyat@rambler.ru
4/1, Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation

References

  1. LIA handbook of laser materials processing / eds.: J.F. Ready, D.F. Farson, T. Feeley. - 1st ed. - Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2001. - 715 p. - ISBN 978-3-540-41770-5.
  2. Steen W.M., Mazumder J. Laser material processing. - 4th ed. - London: Springer-Verlag, 2010. - 558 p. - ISBN 978-1-84996-061-8. - doi: 10.1007/978-1-84996-062-5.
  3. Взаимодействие лазерного излучения с металлами / А.М. Прохоров, В.И. Конов, И. Урсу, И.Н. Михайлеску. - М.: Наука, 1988. - 538 с.
  4. Laser-oxygen cutting of mild steel: the thermodynamics of the oxidation reaction / J. Powell, D. Petring, R.V. Kumar, S.O. Al-Mashikhi, A.F.H. Kaplan, K.T. Voisey // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2009. - Vol. 42. - P. 015504. - doi: 10.1088/0022-3727/42/1/015504.
  5. The theory of laser material processing / ed.: J. Dowden. - Dordrecht: Springer, 2009. - 381 p. - ISBN-13 978-1-4020-9339-5. - doi: 10.1007/978-1-4020-9340-1.
  6. Rajpurohit S.R., Patel D.M. Striation mechanism in laser cutting - the review // International Journal of Engineering Research and Applications. - 2012. - Vol. 2, iss. 2. - P. 457-461.
  7. Diagnostics, modeling and simulation: three keys towards mastering the cutting process with fiber, disk and diode lasers / D. Petring, T. Molitor, F. Schneider, N. Wolf // Physics Procedia. - 2012. - Vol. 39. - P. 186-196. - doi: 10.1016/j.phpro.2012.10.029.
  8. Fundamental study of CO2- and fiber laser cutting of steel plates with high speed visualization technique / G.V. Ermolaev, P.V. Yudin, F. Briand, A.V. Zaitsev, O.B. Kovalev // Journal of Laser Applications. - 2014. - Vol. 26. - P. 042004. - doi: 10.2351/1.4895563.
  9. High-quality beam generation in a 8 kW cw СО2 laser / Yu.V. Afonin, A.P. Golyshev, A.I. Ivanchenko, A.N. Malov, A.M. Orishich, V.A. Pechurin, V.F. Filev, V.B. Shulyat’ev // Quantum Electronics. - 2004. - Vol. 34, N 4. - P. 307-309. - doi: 10.1070/QE2004v034n04ABEH002671.
  10. Experimental study of laser-oxygen cutting of low-carbon steel using fibre and CO2 lasers under conditions of minimal roughness / A.A. Golyshev, A.G. Malikov, A.M. Orishich, V.B. Shulyatyev // Quantum Electronics. - 2014. - Vol. 44, N 10. - P. 970-974. - doi: 10.1070/QE2014v044n10ABEH015412.
  11. O’Neill W., Gabzdyl J.T. New developments in laser-assisted oxygen cutting // Optics and Lasers in Engineering. - 2000. - Vol. 34, iss. 4-6. - P. 355-367. - doi: 10.1016/S0143-8166(00)00070-1.
  12. Газодинамика лазерной резки толстых стальных пластин непрерывным СО2-лазером / А.В. Зайцев, О.Б. Ковалев, А.М. Оришич, В.М. Фомин, В.Б. Шулятьев // Вычислительные технологии. - 2006. - Т. 11, спец. вып., ч. 1. - С. 74-83.
  13. Gladush G.G., Smurov I. Physics of laser material processing. - Berlin: Springer-Verlag, 2011. - 534 p. - ISBN 978-3-642-19242-5. - doi: 10.1007/978-3-642-19831-1.
  14. Powell J. LIA guide to laser cutting. - 2nd ed. - Orlando: LIA Publ., 2008. - 104 p. - ISBN 978-0-912035-16-1.
  15. Голышев А.А. Стандартизации лазерно-кислородной резки по критерию шероховатости поверхности // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2016. - № 1 (70). - С. 16-21. - doi: 10.17212/1994-6309-2016-1-16-21.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».