ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКЕ МЕТАЛЛОВ

Лазерная резка

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКЕ МЕТАЛЛОВ

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКЕ МЕТАЛЛОВ

Воздействие лазерного излучения на металлы при резке характеризуется общими положениями, связанными с поглощением и отражением излучения, распростране­нием поглощенной энергии по объему материала за счет теплопроводности и др., а также специфическими для процесса резки особенностями.


На участке воздействия излучения металл нагревается до первой температуры разрушения — плавления. При дальнейшем поглощении излучения металл расплавляется и от участка воздействия излучения в объ­ем материала начинает перемещаться фазовая граница плавления. Наряду с этим энергетическое воздействие лазерного излучения приводит к последующему повы­шению температуры, достигающей второй температуры разрушения — кипения, когда имеет место активное испарение. Скорость испарения экспоненциально зависит от температуры и максимального своего значения достигает при станционарной температуре испарения, когда скорости фазовых границ плавления и испарения одинаковы.

В зависимости от плотности мощности лазерного излучения количество расплавленного металла, стацио­нарная температура, скорость плавления и испарения будут различными. Указанные параметры характеризу­ют процесс разрушения, и, следовательно, изменяя плотность мощности и время воздействия лазерного излучения на металлы, можно управлять этим процессом.

Значительное влияние на интенсивность процессов нагрева и разрушения также оказывает поглощательная способность металлов, зависящая от температуры поверхности, длины волны, поляризации и угла падения излучения на обрабатываемую поверхность. Поглощен­ная энергия лазерного излучения находится в зависи­мости от параметров парогазовой плазмы, возникающей как при непрерывном, так и при импульсном и импульсно­периодическом режимах лазерного излучения в процессе резки.

Таким образом, при воздействии лазерного излучения на металлы возможны два механизма резки — плавле­ние и испарение. Поверхность разрушения, так называе­мый канал реза, существует по всей толщине в процессе резки и перемещается со средней скоростью в направ­лении резки.

Практическое использование разрушения металлов посредством механизма испарения затруднено в связи с достаточно высокими удельными энергозатратами.

Заметное снижение энергозатрат достигается исполь­зованием вспомогательного газа для удаления продуктов разрушения металлов из канала реза. Перемещение жидкой ванны расплава осуществляется в основном по толщине материала, т. е. вдоль канала реза с по­мощью динамического воздействия газа, превышающего вязкокапиллярную силу.

При газолазерной резке металлов различают стацио­нарный характер разрушения, когда жидкая ванна расплава существует по всей длине канала реза, и нестанционарный, характеризуемый периодическим выно­сом расплавленного металла из зоны обработки.

Стационарный механизм разрушения достигается в том случае, когда скорости плавления металла в на­правлении реза и удаления расплавленного металла равны в каждом сечении канала. При скоростях газо­лазерной резки металлов меньше стационарных имеет место нестационарный, т. е. неустановившийся характер разрушения.

Рассмотрим качественно физическую основу неста­ционарного разрушения. После удаления очередной массы жидкой ванны из канала реза в нижней его части вновь образуется расплав, так как из-за расшире­ния сфокусированного лазерного излучения нижняя часть канала постоянно находится в поле лазерного излучения. При последующем перемещении материала относительно лазерного излучения последнее попадает на выше распо­ложенные зоны канала и подплавляет их. Образованная ванна расплава не удаляется, так как динамическое воздействие дополнительного потока газа оказывается недостаточным. В следующие моменты времени процесс плавления металла приводит к увеличению объема ванны и при достижении определенных размеров расплав уносится из зоны обработки. Процессы разрушения металла далее повторяются, в результате чего на боковой поверхности кромок реза образуются так называемые бороздки.

При газолазерной резке сталей и ряда других спла­вов в качестве вспомогательного газа используется кислород, обеспечивающий выделение в канале на по­верхности разрушения дополнительной теплоты экзотер­мической реакции. Кроме того, на обрабатываемой поверхности металла появляется оксидная пленка, изменяющая тепловой баланс в канале реза вследствие изменения поглощательной способности материала. Ок­сидная пленка заметно влияет также на гидродинамику течения расплава, так как вязкость оксидов существенно превышает соответствующую вязкость для жидкого ме­талла.

Применение импульсно-периодического лазерного из­лучения при резке позволяет снизить необходимые средние мощности лазера и вносит специфические осо­бенности в процесс резки. Температура поверхности жидкой ванны, образованной в результате действия очередного импульса, может быть ниже температуры ки­пения металла. Расплавленный металл перемещается вдоль канала реза в результате действия газодинами­ческой силы. Если при воздействии импульса излучения температура поверхности жидкой ванны превышает темпе­ратуру кипения металла, то на расплавленный металл дополнительно действует механический импульс отдачи паров или плазмы, ускоряющий перемещение жидкой ванны вдоль канала реза. Образование и удаление жидкой ванны из канала реза может происходить как за время длительности импульса лазерного излуче­ния, так и в паузе между импульсами.

Предпочтительным представляется способ газолазер­ной резки, основанный на механизме разрушения метал­лов плавлением и обеспечивающий снижение средней мощности лазерного излучения по сравнению с разруше­нием металлов в процессе резки испарением.

Широкие возможности лазерной резки металлов открывает применение импульсно-периодического лазер­ного излучения. При оптимально установленных парамет­рах процесса можно осуществлять газолазерную резку с заданным соотношением фаз, т. е. с регулируемым количеством расплавленного материала в продуктах разрушения, обеспечивающим высокое качество разре­занных кромок и повышенную энергетическую эффек­тивность процесса резки.

Физическая картина разрушения металла в процессе газолазерной резки весьма сложна. Оптимизацию про­цесса можно осуществить лишь на основе глубокого понимания физических процессов в их сложном взаимо­действии и совокупном представлении.

Имя
Email-адрес
подписка

    контакты:

    +7 (982)717-01-61

    +7 (343)271-01-61

    +7 (343)271-01-62

    +7 (343)271-01-63

    avantime2012@gmail.com

Поиск по сайту

Мы принимаем к оплате